水平管降膜换热器性能规律研究进展

水平管降膜换热器具有热质传递效率高、阻力小、结构简单等优点,被广泛应用于化工等传统领域及能源利用的节能减排领域。降膜换热器内部发生复杂的流动及传热传质相互耦合过程。介绍了实验及模拟研究手段的进展,综述了不同操作参数(气体温度、流向及流量,溶液流量、温度及浓度,内部媒介流量及温度等)与结构参数(管径、管间距等)对水平管降膜管间流型、液膜厚度与润湿性等流动特性的影响规律,以及对蒸发传热特性、吸收传热传质特性等换热器性能的影响规律,包括整体性能和局部微细特征,为水平管降膜换热器的性能优化提供理论支撑。指出在不同气流特征以及多因素相互作用下多维度的局部流动与传热传质性能的耦合影响规律以及强化换热手段会是水平管降膜换热器未来研究的重点方向。

Numerical simulation of liquid falling film on horizontal circular tubes

这研究的目的是数字地在水平圆形的试管上调查掉落的电影的流动特征。数字模拟被执行用为有一个和二柱体的 2D 配置流畅。液体方法的卷被用来追踪液体掉落电影和煤气液体的接口的运动。热和转移系数上的流动特征的效果可能是显著的，尽管它在以前的研究被忽视了。最高的试管，底部试管上的一些特殊流动特征， intertube 流动模式和流动特征上的液体 feeder 高度的效果上的速度分发和电影厚度特征被学习了。我们的模拟显示那 1 )试管的上面、更低的部分的速度分布不严格地对称、不一致， 2 )电影厚度取决于流动率和尖分布， 3 )最高的试管的流动特征与底部试管的那些不同， 4 )三位校长和二个中间的转变模式被区分，并且 5 )液体喂高度戏掉落的形成上的一个重要角色电影。数字结果在与由 Nusselt 模型和报导结果的理论价值的一个好协议。

湍流状态下垂直降膜波动特性影响因素研究

针对液膜的稳定性和均匀性会直接影响气液两相和气液固三相传热的问题,对影响液膜流动的因素进行研究。从液膜厚度、液膜速度和湍流强度3个参数定量分析槽宽(2~5 mm)、管径(73~113 mm)、气液接触角(0°~90°)、摩擦系数(0.1~0.9)和气速(2~10 m·s^(-1))对高雷诺数下垂直降膜波动特性的影响机理。结果表明,当槽缝宽度大于3.5 mm时,液膜厚度基本不变,湍流强度变化相对稳定。液膜的厚度、速度和湍流强度随管径的增大而显著变化。随着气液接触角的增大,液膜厚度和速度变化不大,但液膜的湍流强度在出口处略微降低。液膜厚度随着摩擦系数的增加略有增加。随着气体速度加快,液膜厚度先急剧减小,然后缓慢增加。气体速度对入口区域的液膜速度具有抑制作用。

利用降膜流动测量液体黏滞系数

利用降膜流动设计并搭建了测量液体黏滞系数的实验装置,根据不可压缩液体N-S方程,结合边界条件建模。采取测量液膜表面速度的方法计算液膜厚度。测量了蓖麻油不同流量下的黏滞系数,倾斜板在不同倾角下,黏滞系数测量相对准确的流量区间基本相同,相对误差在8%以下。分析了装置的适用条件和误差来源。并用全内反射法进行了液膜厚度对比验证。该研究丰富了测量液体黏滞系数的教学内容和方法,有助于学生掌握流体力学相关知识,提高综合设计能力。

水平管外高黏流体降膜流动形态及液膜分布规律的数值模拟

降膜元件上的流体流动行为能够反映该降膜式脱挥器的主要性能。采用数值模拟方法探究在水平管结构的降膜元件上高黏流体降膜流动的微观机理,在实验验证模型可靠性的基础上,考察不同流量下3层水平管外的高黏流体降膜流动形态及液膜厚度、速度变化规律等。结果表明:高黏流体在水平管外的降膜流动形态主要受重力和黏性力的影响,柱状流不易发展成完全的帘状流;高黏流体在水平管上部受到壁面支持力影响,而在水平管下部受到黏性力影响,流体会堆积在周向角0°~30°和150°~180°这两个区间内,导致液膜厚度异常增大;进液的3股流体在发生碰撞后,中间股液膜速度提高较多,但液膜厚度增加较少;流量减小至10.8 kg/h时,水平管外高黏流体会发生液膜收缩且内部出现空腔的现象,不利于高黏流体成膜流动。该研究可为水平管降膜式脱挥器的开发及工况设置提供参考。

竖壁降液膜流动纵向及水平发展规律研究

采用高频率电容式测厚仪测量并分析了降液膜膜厚和波动的统计规律,得到了降液膜沿竖直大平板流动平均膜厚经验关系式,发现了液膜流动的横向扩展和纵向发展规律。结果表明,降膜在竖直发展2.6m后可能已基本充分发展。

液体管外降膜的研究及应用

在实验的基础上探讨了液体在垂直管外降膜的流动规律；分析了影响液膜流量和厚度的因素，提出了计算液膜流量和厚度的方法，并对液体管外降膜装置的设计提出了建议。

水平管降膜厚度的电导探针测量方法

为测量水平管降膜分布参数,从而揭示降膜的流动特性,根据气液两相介质的电导特性,设计出一种测量水平管降膜厚度的电导探针系统,利用该系统进行了水平管周向不同位置液膜厚度分布规律的实验研究.结果表明,水平管降膜厚度的电导探针测量方法不仅切实可行,而且还能实现大角度范围测量,可扩展应用于垂直结构外部气液两相流动参数的分布测定.此外,管外液膜厚度随管间距的增加而减小,而且液膜波动加剧.与实验数据对比,发现Nusselt公式可以用来预测圆管上半周的液膜厚度,但下半周的数值明显偏大.在不同工况下,最薄的液膜并不是出现在β=90°的单点处,而是在β=90°～115°的区域内.

气液叉流条件下受热液膜传热特性

在气液叉流条件下,就不同气相雷诺数和液膜雷诺数对液膜传热特性影响进行了实验研究.结果表明:对于确定的被冷却水水温,在液膜雷诺数增加的过程中,液膜厚度逐渐增加,热阻增加,削弱液膜换热,但雷诺数上升使得液膜湍动强度增强,强化了液膜换热;在这两个因素的协同作用下,存在最佳液膜流动雷诺数,使得液膜的换热热阻最小,换热系数最大.层流时,热量传递受温度的影响较大;湍流时,热量传递对液膜进口温度的反应不如层流敏感.

排液板对横管降膜流动和换热的影响分析

为了研究排液板对横管降膜流动和换热的影响,建立基于复合Level Set-VOF方法的横管降膜流动和换热数学模型。模拟结果与文献试验数据基本吻合。研究结果表明:在小流量薄膜流动情况下,加装排液板横管能缓解由于液滴间歇性滴落引起的"干斑"现象,稳定管外液膜;使管外液膜分布更均匀,进而影响管外液膜温度分布。加装排液板抑制底部的碰撞混合;增大流量将进一步导致液膜滞止区的形成,恶化传热。加装排液板可加快横管底部的液膜流速。

水平管蒸发器管外降膜流动数值分析

利用VOF模型研究水平管蒸发器管外气液两相的降膜流动,分析了喷淋密度、换热管外径及水温对管外液膜厚度分布的影响。模拟计算结果表明,周向角度为90°～170°时,液膜厚度分布更加均匀,且液膜厚度随着喷淋密度的增大而增加;换热管外径在?19～?51mm时,随着管外径的增大,液膜平均厚度显著减小,但换热管外径继续增大时,膜厚减小的幅度趋于平缓;随着水温的升高,管外液体流动加快,导致液膜厚度减小。

初边值条件对二维通道内降膜流动行为影响的数值分析

在压水堆核电站中,非能动安全壳冷却系统是比较重要的事故缓解措施,其中对水膜流动行为的研究至关重要。目前这些研究较少关注液膜波动现象,也很少考虑空气和水膜界面的剪切力。因此,采用Fluent VOF和k-ε模型对二维矩形通道内单侧水膜流动行为进行数值模拟,并考虑空气和水膜两相交界面的剪切力作用,讨论了液膜入口速度分布、液膜入口宽度、空气入口速度、液膜入口雷诺数以及空气流动方向等因素对液膜厚度沿流动方向变化的影响。模拟研究表明:液膜入口宽度,气体流动方向对液膜表面波动有影响,该表面波动现象与气液两相间的速度差有关,速度差越大,波动越大。在某些条件下,当前的数值模型可再现降膜流动的波动现象。

强化管表面结构对竖管降膜流动特性的影响

为了研究强化管表面结构对竖管降膜流动特性的影响,搭建了竖管降膜流动冷态实验台,利用光谱共焦位移传感器和高速摄像仪对强化管和光管进行了对比研究。实验中,降膜流量通过调节高位水箱内静液柱高度H和布液器环隙间距Δd控制,使降膜雷诺数Re在0~4500变化。测试结果表明:当0<Re≤2000时,强化管与光管液膜厚度一致,但当Re>2000时,强化管的液膜厚度逐渐高于光管,且随着Re的增大,二者差值越趋增大;相对于光管,强化管润湿管壁的最小流量约为光管的1/3,明显小于光管,表明强化管有利于液膜的铺展;当降膜流动处于层流时,在入口段强化管与光管的降膜波动特性无明显差别,但光管较先进入充分发展区,随后波动强度逐渐小于强化管;当降膜流动呈湍流时,强化管的波动强度明显高于光管,当Re达到4200时,在测试范围内强化管的平均波动强度较光管高出约8%,说明强化管的表面结构增强了液膜的扰动,更利于降膜蒸发过程传热传质。以上结论可为强化管用于竖管降膜蒸发器的研究提供有益参考。

竖直管降膜流动的CFD分析

建立了竖直管降膜流动的二维模型,采用RNG κ-ε湍流模型、VOF模型,对管内的降膜流动进行了CFD研究,得到了稳定前后的液膜、速度分布。研究发现,沿管长方向的流动稳定后,依次分为平稳区、小幅波动区、大幅震荡区,在给定流速下平稳区、波动区膜厚为0.63 mm、0.23~1.5 mm。在平稳区不同位置处液膜流速在膜厚方向变化一致,沿管长有增大趋势,最大速度在膜内,流动稳定后分布变化不大。最后将模拟得到的膜厚与学者数据进行了对比,结果可靠。

水平管降膜蒸发器管外膜状流流动特征研究

为了探究水平管降膜蒸发器管外液膜分布的优劣对其传热性能的影响,课题组建立了水平管三维模型对管外膜状流流动进行数值模拟,得到液膜沿水平管轴向和周向的分布规律,并对膜厚波动幅度Δ进行研究;分析了流量、布液高度及管外径对管外液膜厚度的影响。结果表明:当周向角度一定时,液膜厚度沿水平管轴向小幅波动;膜厚波动幅度Δ在θ为10°~20°时逐渐减小,其最大值为0.16862;在θ为150°~170°时逐渐增大,其最大值为0.36291;当θ为20°~150°时,膜厚波动幅度Δ<0.07500,液膜流动呈现平稳发展的趋势。研究表明液膜沿水平管周向流动可划分为3个区域:θ为10°~20°时为冲击区,θ为20°~150°时为稳定区,θ为150°~170°时为尾流区。液膜厚度随流量的增大而增大,随布液高度和管外径的增大而减小。

水平管外冷态降膜流动特性研究

采用VOF(volume of fluid)方法建立水平管外冷态降膜流动的计算模型,对冷态液膜流动条件下水平管外的液膜厚度分布以及流体速度分布规律进行研究,分析喷淋密度、流动截面位置及壁面距离对速度场的影响。数值计算结果表明:液体喷淋密度越大,水平管外液膜的流动速度越快;在降膜液柱所在的截面处,液膜周向速度随周向角的增大而增大;在相邻降膜液柱的中间截面处,液膜周向速度随周向角的增大而增大,在30°~110°周向角内液膜周向速度快速增加,在120°~150°周向角内液膜周向速度变化较为平缓。

竖直管降膜蒸发器流动与传热过程的数值模拟

针对竖直管降膜蒸发器的技术特点,在计算流体力学和传热学理论分析基础上,采用FLUENT软件,运用自定义函数(UDF)编写传质源项,对降膜蒸发器的加热管内液体沿壁面呈膜状下降流动并受热汽化过程进行了三维数值模拟研究,模拟采用Mixture两相流层流模型,Simple算法。模拟结果以3D形式表现了液体沿运动方向在管壁发展成膜的过程,并将模拟得到的液膜厚度与理论计算得到的液膜厚度进行了比较。模拟结果表明,竖直降膜蒸发器加热管具有液膜薄,均匀性好的特点,管表面容易形成柱状流,液膜厚度为1.0 mm。

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。

水平管外降膜厚度分布规律的数值模拟研究

液膜厚度分布规律对水平管降膜蒸发过程有重要的影响。本研究建立了水平管外降膜流动的CFD模型,通过模拟不同入口流速、管径大小的液膜厚度来研究冷态情况下管外液膜厚度的影响因素及其沿环向角的分布规律。模拟结果表明:对于固定管径,液膜厚度随着入口速度的增大而增大;在入口速度一定时,管外液膜厚度在管顶区域较大,在周向105°附近达到最小值;且液膜厚度随着管径的增大而缓慢减小,当入口速度减小到一定程度时,管壁会出现"干涸"现象。

波纹板填料表面液体降膜流动的特性分析

基于降膜流动实验台,结合计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics, CFD)研究了波纹板表面液体的平均液膜厚度和有效润湿面积等定量信息,并通过三维模拟进一步分析了喷淋密度和波纹倾斜角度β对降膜流动特性的影响。结果表明,液体在波纹板表面的流动并非均匀,分为沟流和溪流两种形式;当喷淋密度较小时,液体在波谷内形成沟流,当喷淋密度达到400 m^(3)/(m^(2)·h),液体跨越相邻波纹进行溪流流动;两种形式波纹板整体的润湿性能均较差,且液膜厚度分布不均;波纹倾斜角度对降膜流动特性影响较大,90°时更有利于提高有效润湿面积。