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。     

基于VOF模型的膜状冷凝传热分析

基于流体体积函数法(volume of fluid,VOF)建立垂直平行平板通道内膜状冷凝传热预测数值模型,膜状冷凝传热传质过程模拟通过在VOF模型守恒方程中施加基于界面能量平衡方法的源项实现。通过数值分析研究发现,在壁面的顶部,冷凝液膜最薄,存在层流区域;冷凝液向下流动,一系列不规则的波纹随之出现;影响冷凝传热的主要因素是蒸汽的流速、液膜厚度及流动状态等。     

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。     

沿垂直壁面气-液降膜流动传质过程的数值研究

在考虑气-液两相间质量源项和能量源项的条件下,基于VOF算法,建立了水和空气沿竖直平板壁面两相降膜流动传热传质的CFD模型。利用该模型研究了水和空气两相间的传质特性,分析了液膜波动、进气进液速度以及温度对传质的影响,计算结果表明:一定程度的液膜波动、进气速度和进液速度的提高、气-液之间的温差的增加,都能强化气-液之间的传质过程。     

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。     

水平螺旋槽管降膜流动和传热特性研究

对水平螺旋槽管壁面降膜形成及传热特性进行了理论和实验研究,得到了液膜厚度及速度的解析及数值解.结果表明,降膜液膜特性主要受槽道结构和液膜表面张力控制.管壁温度沿周向向下逐渐升高,而且在定热流密度下保持不变,而液膜温度则沿周向逐渐上升.相比光管,螺旋槽管降膜具有更高的传热系数.     

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。     

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。     

剪切层流蒸发液膜的传热特性

为克服理论分析中气液界面对流换热难以计算的问题,基于气相传热模型,建立了在同向或反向切应力作用下层流饱和蒸发液膜的传热模型,推导出无量纲液膜厚度和壁面对流换热系数与流动长度、界面切应力和初始雷诺数间的理论关系式.研究表明,受液膜蒸发的影响,液膜厚度沿流动长度不断减小,换热传热系数不断增加;同向切应力具有减薄液膜厚度和增大传热系数的作用;反向切应力则具有相反的作用,其影响更为明显.这一理论模型可以反映层流饱和蒸发液膜的传热特性.     

竖直平板上层流降液膜表面波特性的实验研究

基于自主设计的平板降液膜流动实验台,分析了层流状态下竖直平壁上表面波在空间域和时间域上的演化过程,利用高速摄像机阴影成像法在Re为600~1 300下,对表面波形态、波速和频率等流动特性进行了实验研究,并在实验测量的基础上结合Matlab图像处理深入分析了表面波波速和频率等统计特征.结果表明:孤立波波速与Re具有线性正相关性,波速的变化范围也随Re的增大而增大,而孤立波频率与Re和沿程距离呈弱相关;通过Matlab编程得到实验中孤立波频率在7~13Hz内波动.     

环形布膜器垂直管内R113降膜蒸发换热特性数值研究

通过建立垂直管内降膜蒸发物理数学模型,对环形插头型布膜器管内R113的气液两相逆流降膜蒸发换热特性进行二维非稳态数值研究,分析了管内液膜流动分布以及壁面温度和液膜表面温度分布,对比了加热前后液膜厚度的变化.结果表明:随着降膜蒸发过程的进行,液膜下端开始出现液滴飞溅,且不断向上端发展;R113在管内降膜蒸发过程中壁面温度和液膜表面温度沿流动方向逐渐升高,气相温度变化趋势则相反;从壁面到管中心,温度沿径向逐步降低,在近壁面1mm前后其分布趋势相反;加热后液膜厚度明显减小,且下游液膜厚度变得相对均匀.     

LHP圆盘式蒸发器三维传热与流动分析

通过补充相变蒸发界面传热传质热力学关系式,构建了回路热管(loop heat pipe,LHP)圆盘式蒸发器的流动与传热多区域耦合分析三维数学物理模型,并基于FLUENT软件对某种甲醇-不锈钢平板型蒸发器内的流动与传热情况进行了数值求解。数值分析结果表明,蒸发器内的传热与流动受几何结构影响明显,表现出较强的方向差异;不同热负荷条件下,补偿腔内流体的流动与传热特性呈现出较大差别,受到回流液速度和温度、毛细芯界面蒸发质量流量、毛细芯反向导热和侧壁漏热等多种因素共同影响。计算方法和研究结果,可以为平板型蒸发器内流动与传热特性的定量分析提供依据。     

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。     

喷雾冷却液膜流动特性的数值分析

为了进一步揭示喷雾冷却的传热机理,需对热表面液膜的微观现象进行分析。基于欧拉—拉格朗日法,建立了喷雾腔内的三维几何模型,对热表面液膜的流动特性进行数值模拟,重点分析了不同时刻、喷雾高度、雾化夹角、流量等因素对液膜流动特性的影响。模拟结果表明:同等条件下,液膜高度在中间区域相对较低,并沿径向先增大到峰值再逐渐降低;液膜速度在中心区域最低且波动较大,沿径向液膜流动速度逐渐增大,当接近圆周边缘时,速度达到最高点。     

垂直下降管内液膜沸腾蒸发及相界面波动研究

采用数值模拟的方法对垂直下降管内液膜沸腾蒸发流动和传热特性进行研究。分析入口雷诺数Re和热流密度的耦合作用对液膜流动和传热的影响,结果表明:壁面生成的汽泡呈现液滴状;大汽泡表面分割、脱离出小汽泡;汽泡生成、脱离强化了沸腾传热效率;热流密度越大,液膜表面的稳定性越差;Re的提高能够增强相界面稳定性;降膜沸腾传热方式的不同对传热系数影响很大;在计算工况范围内,绘制出传热模态分布图,为工程应用提供基础。     

强制对流换热下竖直冰层融化特性研究

为研究热风加热下竖直冰层的融化特性,采用降膜流模型对竖直冰层融化过程中传热传质规律进行模拟研究。分析了冰层融化过程中内部温度变化,计算了不同工况下的融冰速率,研究了融冰水的流动和传热对冰层融化的影响特性,得到了冰层融化过程中固液相变层和融冰水Nu数随时间的变化规律。模拟结果和实验测量值、经典关联式结果吻合较好,验证了降膜流模型适应用于计算冰层融化过程。模拟结果表明融冰水的降膜流动换热在冰层融化过程中起到重要作用,在冰层融冰水为滴状流时冰层融化速率较低,而模拟工况下形成稳定膜状流后截面积0.16 m~2的冰层融化速率达到0.12 kg/min。     

液膜流动传热稳定性综述

本文综述了液膜传热流动性的背景及意义,回顾了沿平板液膜、表面波、多相液膜、加热液膜及波动液膜的国内外研究进展,总结了液膜已有的理论结果,并展望了液膜技术的发展前景。     

格子Boltzmann方法的竖壁汽液降膜数值研究

对原有的格子Boltzmann伪势模型进行了改进,提出表面张力可调的伪势模型,并基于改进后的伪势两相模型在二维条件下模拟了雷诺数为5、10和20时竖壁降膜的流动,进一步研究了液膜在入口处存在正弦扰动时的流动特性,分析了入口扰动和表面张力作用对液膜稳态波动的影响,总结了液膜稳态波动的规律.结果表明:数值计算得到的流形拓扑及波动特征与实验结论能较好地吻合,表明伪势模型能够较为真实地反映降膜流动的物理过程.     

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。     

椭圆横管外降膜流动和换热特性分析

本研究基于VOF算法编写用户UDF(自定义函数),采用FLUENT软件建立了椭圆横管外降膜流动和换热的计算模型。根据CFD(计算流体力学)模型计算和分析了在不同长短轴比下管外降膜速度分布、压力分布、液膜内温度分布和管外换热分布的变化规律。研究结果表明:长短轴比的变化影响了管外液膜速度分布、压力分布和膜内温度分布;相比圆管,椭圆管的管外膜内液体流速更快。壁面压力沿周向逐渐减少并在X=0.9附近快速回升;随长短轴比e的增加,周向压力最小值位置逐渐向后推移。局部Nu数分布与压力分布在趋势上存在一致性。当e=1.65附近时,椭圆的换热性能最优;最后,通过对管形的研究分析,提出横管的传热分区模型。