水平管降膜蒸发器管外液膜的数值模拟

对水平管降膜蒸发器管外液体的成膜情况进行了数值模拟,分析了喷淋密度、管径大小、周向角度等参数对管外液膜厚度及分布的影响,并与相关实验数据进行了比较.结果表明:在喷淋密度一定时,管外液膜厚度在管顶和管底区域较大,在周向120°附近最小;管壁表面的液膜厚度随着喷淋密度的减小而减小,当喷淋密度减小到一定程度时,管壁表面出现了局部"干斑"现象;在喷淋密度一定时,管壁液膜厚度随管径的增大而减小.     

外波纹管管外降膜流动过程液膜厚度及速度分布特性

针对外波纹管管外降膜流动过程,采用实验结合数值模拟的方法,考察了液体喷淋密度、管间距和管径变化对液膜厚度周向分布的影响,并与光滑管进行了比较,同时分析了外波纹管管外液膜速度分布特性。结果表明:光滑管外液膜厚度由上至下沿周向呈先减小、后增加的趋势,在90°～120°之间液膜最薄;外波纹管去除波纹间凹槽内的液体后,波纹外的液膜厚度数值及其周向分布规律与相同直径的光滑管相似,周向平均液膜厚度随着液体喷淋密度的增加、管间距及管径的减小而增大;液膜沿周向分布的均匀程度及流动速度大小均与液膜厚度有关,波纹外液膜沿周向分布的不均匀性随着液膜厚度的增加而增加,气液界面处的液体速度沿周向分布规律与液膜厚度分布规律相反;相邻两波峰间凹槽内的液体存在局部循环流动。     

逆向气流条件下半椭圆管外水平降膜厚度分布研究

为研究半椭圆管水平降膜厚度的分布规律,搭建逆向气流条件下水平降膜实验平台,并结合数字图像处理技术,研究逆流风速(0～5 m/s)和喷淋流量(0.025～0.221 L/min)对液膜厚度的影响。研究表明:逆向气流会对管外水膜产生影响,并存在临界速度;当逆流风速低于临界速度,液膜厚度沿圆周方向先减小后增大,与无空气流动时相似;当逆流风速超过临界速度时,液膜分布严重不均甚至被吹飞;随着逆流风速增大,平均液膜厚度先增大后减小;随着喷淋流量增大,平均液膜厚度持续增大;当喷淋流量减小、逆流风速增大时,平均液膜厚度减小。     

水平管外降膜蒸发传热特性的数值模拟

为深入研究液膜内的微观传热机理,对水平管外降膜蒸发的传热特性进行了数值模拟,获得了液膜厚度、液膜流动速度和传热系数等热力参数在液膜内的分布特性。通过与实验数据的对比验证了数学模型的准确性。研究结果表明:在饱和蒸发温度62℃、传热温差2.8℃、管外径25.4mm和液膜入口速度0.071~0.15 m/s条件下,沿圆周方向,液膜厚度减小,传热系数增加,直至达到液膜热力发展区,膜厚和传热系数趋于稳定;受液膜内温度变化的影响,液膜内的粘度、表面张力和导热系数的变化对液膜传热特性产生显著影响。     

管束排列方式及管间距对水平管外液体成膜情况的影响分析

针对水平管降膜蒸发器管外液体的成膜情况,采用数值模拟方法,分析了管束排列方式及管间距等结构参数对水平管外液体成膜情况的影响.结果表明:管束布置方式、管间距对顶排管的影响不大,对于顶排管以下的管排来说,叉排方式时的液膜厚度要明显小于顺排方式的液膜厚度;随着管间距的增大,第二根管壁上的液膜厚度逐渐减小.     

水平管外降膜蒸发微观传热特性

为了深入探究水平管降膜蒸发的微观传热特性,采用基于VOF法的计算流体模型对水平管外降膜蒸发进行数值模拟,通过求解控制方程得到液膜内的温度场和速度场。分析了不同入口边界温度和Re数下管外薄液膜内热边界层、无量纲温度和局部传热系数的微观传热特性变化规律,定量给出了热发展区与充分热发展区的边界位置。模拟结果表明:液膜入口温度越高,液膜热发展区覆盖的圆周角度越小;液膜内的热发展区覆盖的角度随Re数的增大而增加是平均传热系数随Re数增大的原因;管外圆周方向无量纲温度分布证明了液膜中的传热包含导热和对流传热;管外液膜内纯导热系数与局部传热系数的差值随倾斜角的增加而减少是由于对流效应沿管圆周方向减弱引起的。     

水平管降膜流动的三维数值模拟

采用VOF方法对水平管外液体降膜流动进行了三维模拟,研究在绝热情况下单根管外液膜流动随时间的变化特征。分析了管外液膜流动瞬态的5个阶段,即自由下落区、冲击区、发展区、充分发展区和尾流区的特点,以及水平管外稳定液膜厚度分布规律。结果表明,液膜厚度在120°附近最薄,管壁上半部分的液膜厚度要大于管壁下半部分液膜厚度。     

水平管降膜蒸发器中液膜厚度周向分布研究

采用VOF模型对水平管表面液膜厚度分布进行数值研究,并将结果与实验数据进行比较,二者吻合较好。结果表明:液膜沿水平管周向的流动可分为瞬态过程及之后的稳态过程,瞬态过程包括液体自由下降、冲击管壁、液膜发展、充分发展以及脱离管壁5个阶段。稳态过程中,液膜厚度沿圆管周向分布为先减小,再增大。水平管上、下半部液膜厚度分布不对称,顶部和底部存在两个切向速度滞点,下部滞点处可能会出现无液区。随着液膜雷诺数的增大,液膜厚增大,下部无液区范围也增大。较大的管径会导致液膜在同一角位置处流速增加,液膜厚度减小。     

单液滴撞击球面液膜水花形成特征分析

应用VOF(volume of fluid)方法对液滴撞击球面液膜的飞溅过程进行数值模拟,由计算结果分析了不同液滴撞击速度和液膜厚度对撞击产生的水花形态、高度和直径的影响。结果表明:随着液滴撞击速度和液膜厚度的增加,水花高度增大;随着液滴撞击速度增加,水花直径增大,但当液膜厚度增加时,水花直径减小。     

非能动安全壳竖直平板降膜流动特性数值模拟

核电安全日益受到关注,非能动系统作为第三代核电系统具有很高的安全性。采用FLUENT流体体积分数(volume of fraction,VOF)模型和k-ε湍流模型对非能动安全壳冷却系统(passive containment cooling system,PCCS)三维平板降膜流动进行数值模拟。结果表明:1)在降膜过程中有波动现象,最终波动趋于平缓;2)水与空气逆流流动过程中发生轻微的液滴夹带;3)降膜流动受重力、表面张力与壁面黏滞力共同作用,液膜厚度沿横向分布均匀,沿高度方向平均液膜厚度越来越小,并且受进口水流速度与入口宽度影响,水流量一定时增加进口水流速度与入口宽度,平均液膜厚度增大,空气入口流速对水膜厚度影响相对较小。     

汽-气凝结气膜分布及对换热特性的影响

基于双边界层理论,考虑气膜内诱导速度、气液界面剪切力和压力梯度等因素的影响,建立了在水平管外汽-气凝结换热过程中所形成气膜厚度的数学模型,并讨论了气膜分离情况.结果表明:沿管壁向下,气膜厚度逐渐增大;当气膜发生分离时,气膜厚度在分离点处急剧增大,且随流速增大而减小;当气膜不发生分离时,气膜厚度在管壁底部附近急剧减小,且随流速增大而增大;气膜厚度随壁温升高而增大,随不凝结气体质量分数增大而增大;气膜厚度及气膜分离对换热特性有一定的影响.     

竖壁降膜波动特性数值模拟研究

建立了竖直壁面降膜流动的二维几何模型,运用VOF方法对雷诺数200～1 000的降膜的波动特性进行了数值模拟。研究了液膜的波动特征、液膜流动方向的速度变化以及液体雷诺数对液膜波动的影响规律。结果表明:根据液膜的形态可以将流动区域分为入口区、发展区和稳定区三部分。入口区的液膜相对比较平滑,发展区的液膜表现为频率较高的小幅波动,稳定区的液膜波动幅度增加而频率减小;入口区的最大流速大于初始流速,发展区的最大流速在初始流速上下波动,而稳定区流速小于初始流速;随着液体雷诺数的增加,液膜厚度增加而波幅降低。     

横管降膜过程中液膜内流动和传热特性分析

横管降膜流动过程中,液膜速度和温度及其分布是影响传热传质的关键因素,由于实验研究方法的局限性,实验研究结果一般只是液膜内各参数的平均值,而液膜内部的速度和温度具体分布特性却很难得到。借助FLUENT软件,利用VOF模型研究了橫管外液膜速度和温度及其分布特性。通过建立三维数理模型,模拟研究了常温常压下,橫管外液膜无相变条件下横管液膜的传热过程,并从边界层的角度解释了液膜波动对传热过程的影响。     

氢气/空气预混合微尺度催化燃烧

通过耦合专用软件FLUENT和CHEMKIN并采用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及预混合气体入口速度和管径对催化燃烧反应的影响.计算结果表明,表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;入口速度和管径对氢气的催化燃烧过程有重要的影响,在入口速度较小时,燃烧主要是空间气相化学反应,随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在着表面催化反应和空间气相反应两种控制因素,在入口速度较大时,燃烧主要是表面催化燃烧过程;随着管径的减小,微型管道内反应的最高温度降低.此结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据.     

单液滴撞击平面液膜飞溅过程的CLSVOF模拟

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法对单液滴撞击平面液膜初期的飞溅过程进行了数值模拟,探讨了撞击速度和液膜厚度对撞击后形成冠状水花形态及扩展直径的影响.结果显示,扩展直径随撞击速度的增大而增大,随液膜厚度的增大而减小,CLSVOF方法可较好地用于液滴撞击过程的数值计算.     

基于水平圆管外加装排液板降膜流动的数值模拟

为了研究排液板对水平圆管外降膜流动与传热的影响,建立了水平圆管底部加装排液板的物理模型,采用流体体积函数(VOF)模型对其管外降膜流动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与文献中的实验数据进行了对比.结果表明:加装排液板的水平圆管的平均液膜厚度比未加装排液板的水平圆管薄,管壁局部Nu大,排液板起到加速排液及减薄液膜的作用,有利于强化传热;排液板高度越大,管外同一周向角位置处的液膜厚度越薄,管壁局部Nu越大;排液板厚度较小或者较大都不能有效发挥加速排液的作用.     

导流板影响SCR脱硝烟道气动性能数值研究

为研究300MW电厂SCR脱硝烟道内部气动流场,采用数值模拟方法,在获得原始流场烟气分布规律的基础上,分析了入口段扩张流道导流板对速度场的影响。结果表明:导流板可以很好的改善扩张流道内烟气的流动性能,一定程度上均化了催化剂前的速度分布,随着导流板数量的增加,扩张流道出口的速度偏差系数逐渐减小,而催化剂前的逐渐增大,其中在减小反应器中间高速区方面,最佳方案为Case 2。     

水平单管外混合气体对流冷凝换热的理论研究

采用修正的膜模型与Nusselt凝结理论结合的方法,对含湿混合气体自上而下横掠水平管外时的对流冷凝换热机理进行研究,建立了液膜流动和传热模型,进行数值求解并分析了雷诺数、壁面温度及水蒸汽浓度等因素对混合气体冷凝换热的影响。计算结果表明:水管外壁液膜厚度分布很大程度上受气体边界层对液膜剪切力的影响。而局部努谢尔数不同于纯蒸气的的冷凝换热,它受气相热阻的影响很大,其分布状况类似于单相气体管外的对流换热。     

相变换热器烟气侧流动及传热特性的数值模拟

对壁温均匀的相变换热器换热管外烟气的流动状态与翅片管的换热过程进行数值模拟,分析烟气入口速度、翅片间距及翅片管横向间距、纵向间距对流动传热特性的影响。结果表明:随着烟气入口速度的增加,换热量和烟气流动阻力均增加;一定范围内增大翅片间距,能够强化传热性能,降低烟气流动阻力;翅片管横向间距的增大能强化传热,而纵向间距的增大会减弱传热性能,二者均能够降低烟气的流动阻力。     

降膜流动及膜破裂特性的三维数值模拟

对平板降膜流动进行三维数值模拟,采用VOF模型追踪气液两相界面的变化,揭示了降膜流动的三维特性,小流量下液膜比较平滑,靠近边壁处厚度和速度达到极小值,液膜最易破裂;流量增大,液膜波动幅度变大,三维特性增强。考虑气液之间的相互作用,加入气液剪切力源项,气液同向时,液膜的厚度变薄,流速变大;逆向气流作用时,液膜受到气流拉扯,表面流速减小。通过大量数值实验拟合出液膜厚度的关联式并与众多学者的结果做了比较,验证了数值模拟的可行性。