板式蒸发式冷凝器两相降膜流动CFD模拟及传热研究.docx

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板式蒸发式冷凝器两相降膜流动CFD模拟及传热研究

华南理工大学学报（自然科学版

第36卷第7期JournalofSouthChinaUniversityofTechnology

Vol.36　No.7

2008年7月

（NaturalScienceEditionJuly　2008

文章编号:

10002565X（20080720006205

　收稿日期:

2007209210

3基金项目:

广东省自然科学基金重点资助项目（04015950

　作者简介:

朱冬生（19642,男,博士,教授,主要从事热能工程及计算流体力学的研究.E2mail:

cedshzhu@scut.edu.cn

板式蒸发式冷凝器两相降膜流动CFD模拟及传热研究

3

朱冬生　张景卫　吴治将　李元希　蒋翔

（华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640

摘　要:

建立了气-液两相流二维计算流体力学（CFD模型,运用Fluent软件对板式蒸

发式冷凝器板束中气-液两相的逆流、并流两种操作进行了模拟,直观地表征了板束中喷淋水流量、风速及风向对水膜流动的影响,并用水蒸气对两种操作进行了传热实验研究.模拟分析得出的结论与实验结果吻合甚好,表明空气与水并流比逆流更有利于利用液体薄膜强化传热的特性.

关键词:

冷凝器;CFD模拟;强化传热;降膜;板束

中图分类号:

TB61+1;TQ051.6+

1　　　　文献标识码:

A

　　板式蒸发式冷凝器是利用薄膜传热传质理论和

蒸发冷凝传热理论研发出来的一种高效节能节水冷换设备.目前,国内外应用及研究的蒸发式冷凝器的核心部件是换热盘管,其研究主要集中在管型的设

计、改进及管表面的处理上[123]

而关于板式蒸发式

冷凝器的研究和报道较少[425]

.

板式蒸发式冷凝器中传热传质过程的发生与水膜和空气的流动是同时进行的,它们之间存在着相互影响、相互耦合的关系,对其交换机理的研究是提高板式蒸发式冷凝器热工性能的关键.因此,要研究板式蒸发式冷凝器的传热传质机理,水膜与空气的流动形式及其特点是不可回避的问题,关于下降水膜与空气流动的理论研究已有不少文献进行了报道,采用数

值模拟的方法进行研究的报道较少[6]

.文中对板式蒸发式冷凝器的气-液两相降膜流动进行了模拟,分析了喷淋水量、空气流速及风向对水膜流动的影响,并用水蒸气进行了传热实验研究,为板式蒸发式冷凝器的优化设计和传热传质机理的研究提供了重要依据.

1　模拟及分析

文中研究的板式蒸发式冷凝器所用的传热板型

为板管式网格板,剖面图与波纹板类似.文中在合理简化实物模型的基础上建立了板式蒸发式冷凝器空气-水两相流流动的二维计算模型,如图1所示

.

图1　计算物理模型及其边界条件

Fig.1　Physicalmodelanditsboundarycondition

　　模型相对比较简单,因此,采用四边形结构化贴

体网格.在划分网格时,采用垂直于板面方向从气相

区向液相区逐层加密的方法.计算采用RNGk2

ε两方程湍流模型;离散时时间项采用隐格式;对流项采用一阶迎风格式;压力项采用PRESTO!

算法;压力-速度耦合方程的求解采用PISO方法;时间步长在10-6

到10-4

之间选取.气-液相界面的追踪采用精

度较高的Geo2Reconstruct界面重构技术[7]

.动量源项由FLUENT612中编制UDF接口程序来实现.

1.1　喷淋水量的影响

不同水流量下水膜的流动分布情况如图2所示.从图2可以看出,水膜沿流动方向厚度逐渐变薄,且随着水流量的增大水膜厚度不断增加

.

图2　不同水流量下水膜的流动分布

Fig.2　Waterfilmdistributionatdifferentwaterflowrates

1.2　气相对水膜流动的影响

1.2.1　气液两相逆流

水流量W=0105kg/s、空气流速u=210m/s时

水膜的流动情况如图3所示

.

图3　气-液两相逆流时水膜的流动分布

Fig.3　Waterfilmdistributioninair2waterreverseflow

　　从图3可以看出,板面上水膜随板形状形成周期性波动,进风后,由于来流剪切力的作用,水膜受到托滞,1157s时,水膜明显发生团聚,厚度增大;1174s时,水膜平均厚度较初始时有明显的增大;10124s时,水膜自由表面形状与初始时、1142s时的

流动状况相似,水膜流动状态呈周期性变化.

水流量W=0105kg/s、空气流速u=213,215,218,310m/s时水膜的流动情况如图4所示,气液两相

逆流液膜的厚度分布情况如图5所示.

　　结合图3、图4可以看出,随着空气流速的增大,

水膜表面的湍动程度逐渐加剧,空气流速从210m/s增大至215m/s时,水膜平均厚度比初始状态时均有所增大,且随着空气流速的增大,液膜厚度越来越厚,见图5.当空气流速达到218m/s时,由于水膜受强大的剪切力作用,水膜开始出现大的液团,液团在下落的过程中被高速吹来的空气吹散,形成液滴,

水

图4　气-液两相逆流空气流速对水膜流动分布的影响

Fig.4　Effectsofwindvelocityondistributionofwaterfilminair2waterreverseflow

7

　第7期朱冬生等:

板式蒸发式冷凝器两相降膜流动CFD模拟及传热研究

图5　气-液两相逆流液膜厚度

Fig.5　Thicknessofwaterfilmofair2waterreverseflow

膜由连续相变成分散相;空气流速达到310m/s时,水膜被空气大量吹脱,板表面几乎完全裸露出来.1.2.2　气液两相并流

水流量W=0105kg/s,空气流速u=210,213,215,218m/s时水膜的流动情况如图6所示.图7为气液两相并流液膜的厚度分布情况.　　由图6可见,空气与水并流时,由于剪切力作用,使得流速较大的空气带动水膜快速下落,且掠带一部分水膜,水膜的厚度较初始时减薄了,随着风速的不断加大,空气掠带的水团也不断加大,水膜厚度大大减薄

.

图6　气-液两相并流空气流速对水膜流动分布的影响

Fig.6　Effectsofwindvelocityondistributionofwaterfilminair2waterparallelfl

ow

图7　气-液两相并流液膜厚度

Fig.7　Thicknessofwaterfilmofair2waterparallelflow

2　实验研究及分析

在空气流速为315m/s、其它条件相同的情况下,空气与水两相逆流、并流时热流密度qf随喷淋密度Г变化的情况如图8所示.

　　由图8可见,喷淋密度较小时,逆流时的热流密度比并流时稍大.因为喷淋密度较小时,

板表面未被

图8　热流密度随冷却水喷淋密度的变化

Fig.8　Effectsofthespraydensityofthecoolingwateronthe

heatstreamdensity

水膜完全覆盖,局部有“干斑”,在板内有热流体传热时,板外水膜受热蒸发,“干斑”面积扩大,在这种情况下,逆流操作使下降水膜受托滞,有利于布膜;而并流操作时,水膜在风的吹送下会变成“溪流”,在蒸发作用下,加剧了“溪流”的生成,更不利于液膜分布.所以,在喷淋密度较小时出现了逆流时的热

8华南理工大学学报（自然科学版第36卷

流密度比并流时稍大的现象.但在板式蒸发式冷凝器中,板表面要完全被水膜覆盖,才能充分利用蒸发冷却的作用.随着喷淋密度的增大,板表面逐渐被水膜完全覆盖,此时,并流时的热流密度逐渐比逆流时的大.在喷淋密度达到01196kg/（m・s时,并流、逆流的热流密度均随喷淋密度的增大而开始减小,这是因为随着喷淋水量的不断增大,水膜厚度增大,热阻变大,但并流时的热流密度仍比逆流时大.

在喷淋密度为01175kg/（m・s、其它条件相同的情况下,空气与水两相逆流、并流时热流密度qf随空气流速u变化的情况如图9所示

.

图9　热流密度随空气流速的变化

Fig.9　Effectsoftheairvelocityontheheatstreamdensity

　　由图9可见,相同的喷淋密度下,并流时的热流密度随空气流速的增大而不断增大,而逆流时的热流密度随空气流速的增大先减小而后又略增大,然后继续减小,并流时的热流密度仍比逆流时大.这是因为喷洒在冷凝板上的水紧贴板壁而下,是典型的连续性降膜,采用并流操作,水膜受剪切力的作用,被空气快速吹下,且掠带一部分水膜,膜厚变小,热阻减小;采用逆流操作,水膜受空气的托滞作用,膜厚变大,热阻增大,空气流速增大时,水膜很容易被“吹脱”,削弱了换热强度.

3　结论

对板式蒸发式冷凝器气液两相降膜流动的CFD模拟与传热实验表明,模拟分析得出的结论与

实验结果吻合甚好.在板式蒸发式冷凝器中,逆流操作在空气流速较小时,水膜厚度增大,热阻变大,空气流速较大时,水膜容易被“吹脱”,使板壁裸露出

来,削弱了换热强度;并流操作时水膜厚度随空气流速的增大而减小,热阻也大大减小,强化了换热强度.因此,在板式蒸发式冷凝器中,空气与水并流比逆流更有利于利用液体薄膜强化传热的特性.参考文献:

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9

　第7期朱冬生等:

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01华南理工大学学报（自然科学版第36卷

CFDSimulationandInvestigationintoHeatTransferforFallingFilmwithTwo2PhaseFlowinPlate2TypeEvaporativeCondenser

ZhuDong2sheng　ZhangJing2wei　WuZhi2jiang　LiYuan2xi　JiangXiang

（KeyLaboratoryofEnhancedHeatTransferandEnergyConservationoftheMinistryofEducation,

SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China

Abstract:

Inthispaper,atwo2dimensioncomputationalfluiddynamics（CFDmodelofthegas2liquidtwo2phaseflowwasestablished,andthecountercurrentandparalleloperationsofthetwo2phaseflowintheplatebundlesofaplate2typeevaporativecondenserweresimulatedbymeansoftheFluentsoftware,thusdirectlyillustratingtheinflu2encesofthewatersprayflow,windvelocityandwinddirectionintheplatebundlesontheflowofwaterfilm.Anexperimentalinvestigationintotheheattransferofthetwooperationswasthenperformed,withwatervaporastheheattransfermedium.Itisshownthatthesimulatedresultsaccordwellwiththeexperimentalones,meaningthattheparallelflowofairandwaterissuperiortothecountercurrentflowinmakinguseofenhancedheattransferoffluidfilm.

Keywords:

condenser;CFDsimulation;enhancedheattransfer;fallingfilm;platebundle

“表面热功能结构数字制造及沟槽式微热管关键技术与装备”通过鉴定

华南理工大学机械与汽车工程学院汤勇教授主持完成的项目"表面热功能结构数字制造及沟槽式微热管关键技术与装备"于2008年4月7日通过由广东省科技厅组织、主持的科技成果鉴定。

该项目以解决在微电子领域具有普遍意义的高热流密度问题为切入点,以揭示复杂表面热功能结构多尺度和多维数效应的科学规律为突破口,建立复杂表面热功能结构相关热物理、数字化设计及制造理论体系;通过对复杂表面拓扑结构、几何形状及结构参数进行数字化描述,建立了复杂表面热功能结构的定量分析和数字设计的理论,为表面结构拓扑优化设计理论提供了有利支撑;通过对亚结构和微结构典型的犁削、拉削、挤压、旋压等关键技术和加工机理的研究,建立了表面亚结构和伴随生成的微结构滑移和生成过程模型,确定了加工工艺参数对亚结构和微结构的影响规律。

课题组在机理研究的基础上,结合表面结构数字化制造技术,提出沟槽式薄壁微热管高速充液旋压成形技术;深入研究分析了微热管的内沟槽充液旋压成形机理,确定了适合于产业化规模生产的工艺参数对沟槽及其亚结构成形的影响规律,成功研制出高性能沟槽式薄壁微热管,为我国微电子散热领域的关键元件制造技术提供了技术理论支撑。

于工业生产中利用该项技术研制的微热管具有成本低、重量轻、响应快等优点。

鉴定委员会专家经过认真讨论,认为该成果具有自主知识产权,达到国际先进水平,一致同意通过鉴定。