傳熱管外液體流動數(shù)值模擬研究

張　銘，馮厚軍，呂慶春

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

水平管降膜蒸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、蒸發(fā)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工[1]、制冷[2]、海水淡化[3]等工業(yè)過程。其工作時(shí)，料液經(jīng)布液系統(tǒng)淋灑在水平傳熱管上，鋪展形成液膜，發(fā)生蒸發(fā)。傳熱管表面液膜的分布、形態(tài)、厚度及停留時(shí)間等不僅關(guān)系到降膜蒸發(fā)過程的效率，還會影響傳熱管表面的結(jié)垢過程，進(jìn)而影響蒸發(fā)器的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究傳熱管外液體的分布、液膜的厚度分布等對于深入理解降膜蒸發(fā)過程機(jī)理，指導(dǎo)蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作工藝的選擇有著重要的意義。

水平管降膜蒸發(fā)器內(nèi)傳熱管數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用實(shí)驗(yàn)手段對其進(jìn)行研究，存在裝置設(shè)計(jì)、制造復(fù)雜，周期長，費(fèi)用高等問題，而且實(shí)驗(yàn)研究受測量儀器精度和安裝位置的限制，不足以對其內(nèi)部汽液兩相流場分布以及傳熱管表面液體的流動蒸發(fā)過程如液膜厚度、液膜形態(tài)等有一個(gè)清晰準(zhǔn)確的描述。比如，采用物理探針測量傳熱管外液膜厚度分布，探針本身就會干擾傳熱管表面液膜結(jié)構(gòu)，使測量結(jié)果偏離實(shí)際情況。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)作為一種研究流體流動的新技術(shù)，可以給出設(shè)備內(nèi)流體流動的細(xì)節(jié)信息，得到實(shí)驗(yàn)研究不能或很難準(zhǔn)確測定的結(jié)果，有力地彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)研究的不足，已成為工程裝置優(yōu)化及放大的定量設(shè)計(jì)工具。何茂剛等[2]針對應(yīng)用于空調(diào)和制冷系統(tǒng)的水平管降膜式蒸發(fā)器，建立了FLUENT 數(shù)值模擬計(jì)算的物理模型，研究了管外制冷劑液體的流動情況，得到了不同流量、不同管束結(jié)構(gòu)下傳熱管外R134a制冷劑的流場信息，為蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。阮并璐等[4]采用VOF兩相流模型，對制冷系統(tǒng)中水平管降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明預(yù)留水平的氣流通道有助于改善蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽的流動狀況，可以獲得均勻的流場分布。

本研究采用CFD流體力學(xué)計(jì)算方法，建立了三維數(shù)值模型，對水平管降膜蒸發(fā)器傳熱管外液體的流動、液膜的分布形態(tài)和厚度以及停留時(shí)間進(jìn)行了研究，得到了水平傳熱管外流體流動的細(xì)節(jié)信息，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)研究手段的不足，對于指導(dǎo)水平管降膜蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

1　模型和方法

1.1　計(jì)算模型

基于對研究問題和計(jì)算時(shí)間的綜合考慮，本研究建立了如圖1所示模型。計(jì)算模型的三維尺寸為40 mm(長)×15 mm(寬)×100 mm(高)，傳熱管采用工程中常用的Φ19 mm管，海水從上方入口(Φ2 mm)進(jìn)入。由于管外液體為對稱流動，模型采用對稱邊界條件以節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)，入口為速度邊界，出口為壓力邊界。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對所建立幾何模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，考慮邊界層對流動的影響，將壁面附近網(wǎng)格加密。

圖1　計(jì)算采用的三維模型(左)和網(wǎng)格模型(右)Fig.1　The simulation model(left) and grid model (right)

1.2　計(jì)算方法

本研究采用Fluent流體力學(xué)模擬軟件，利用有限體積法離散方程，非耦合的穩(wěn)態(tài)隱式格式求解，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算模擬管外湍流時(shí)的流動情況。壓力與速度的耦合計(jì)算采用SIMPLE 方法[5],對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式, 定義收斂的條件為殘差絕對值小于1×10-6。為了動態(tài)模擬液膜形成過程，選用非穩(wěn)態(tài)求解方式，同時(shí)為了更好的跟蹤氣液相界面，選用VOF 兩相流模擬模型。

2　結(jié)果與討論

2.1　傳熱管外液滴鋪展形態(tài)

水平管降膜蒸發(fā)過程中，液體滴落在傳熱管表面，進(jìn)而分散在傳熱管表面形成一定厚度的膜層。圖2a)所示為入口流速為0.1 m/s時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算得到的液滴在傳熱管表面的分布形態(tài)，圖2a)中淺灰色區(qū)域?yàn)橐合啵罨疑珔^(qū)域?yàn)闅庀啵合嘟缑嫣帪榛野咨？梢钥闯鲆旱卧趥鳠峁鼙砻娴匿佌剐螒B(tài)呈近似半圓結(jié)構(gòu)，逐步向外擴(kuò)展。這與高速攝像機(jī)拍到的瞬間傳熱管表面液滴的分布形態(tài)一致[見圖2b)]。這一結(jié)果說明本研究建立模型及所用參數(shù)可以準(zhǔn)確反映傳熱管外流體的流動過程。

圖2　傳熱管表面液膜鋪展形態(tài)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2　The spread morphology of the liquid on the tube surface

2.2　液體流型變化

傳熱管間液體的流型直接關(guān)系傳熱管表面液膜的分布和形態(tài)，影響降膜蒸發(fā)傳熱效率。對于圓形傳熱管來說，管間流型主要由布液密度決定。布液密度是指單位長度傳熱管上單位時(shí)間內(nèi)分布的液體量，單位為L/(m·h)，是水平管降膜蒸發(fā)器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

本研究采用VOF兩相流模型，利用瞬態(tài)模擬方法對蒸發(fā)器中液滴的下落及在管外分布形態(tài)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)考察了布液密度對管間流型變化的影響規(guī)律。

圖3所示為不同速度液滴下落瞬間的相含率分布圖，淺色區(qū)域?yàn)橐合啵钌珔^(qū)域?yàn)槠唷．?dāng)布液密度較小為30 L/(m·h)時(shí)，液滴呈滴狀流[見圖3a)]，液體以液滴的形式一滴一滴落在傳熱管表面，相鄰液滴之間存在間斷，傳熱管表面的液膜也隨液滴的間斷性滴落而不斷更新，不能形成完整液膜覆蓋，有效傳熱面積小，存在間斷性干壁現(xiàn)象，這與相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究一致[6-7]；隨著布液密度增加到90 L/(m·h)，液體流量增大，入口處液滴被拉長，形成滴柱過渡流型[見圖3b)]，隨后液滴發(fā)生分離，滴落在傳熱管表面，相鄰液滴的間隔明顯小于滴狀流。布液密度為30 L/(m·h)時(shí)，相鄰液滴滴落到傳熱管表面的時(shí)間間隔為0.13 s[見圖3a)]，而布液密度為90 L/(m·h)時(shí)，兩液滴之間的間隔僅為0.04 s[見圖3b)]；當(dāng)布液密度進(jìn)一步增加到210 L/(m·h)時(shí)[見圖3c)]，流型轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢盍鳎后w從入口到傳熱管表面形成完整液柱，經(jīng)傳熱管繞流后在下端重新聚集，傳熱管表面形成穩(wěn)定的薄層液膜。柱狀流可以保證傳熱管表面存在完整且均勻的液膜，降低干壁、結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，因此，在水平管降膜蒸發(fā)器運(yùn)行時(shí)保證管間為柱狀流有利于蒸發(fā)過程的高效進(jìn)行。

通過考察一系列不同布液密度下管間流型的變化，初步得出如下結(jié)論：布液密度小于90 L/(m·h)時(shí)，流型為滴狀流；布液密度介于90～150 L/(m·h)之間時(shí)，流型為滴柱過渡流；布液密度介于150～300 L/(m·h)之間時(shí)，為柱狀流。

圖3　不同流型示意圖Fig.3　The flow profiles

2.3　管外液膜厚度

傳熱管外液膜厚度受布液密度大小影響，也是決定蒸發(fā)效率的關(guān)鍵因素。液滴在傳熱管表面不僅存在繞管流動，同時(shí)也存在軸向鋪展。采用二維平面模型研究傳熱管外液膜分布[2]，不能反映液膜沿軸向方向鋪展對液膜厚度分布的影響，結(jié)果和實(shí)際存在偏差。

本研究中采用三維傳熱管模型，對不同布液密度下傳熱管表面液膜的分布進(jìn)行了研究。典型的示意圖見圖4。

當(dāng)布液密度較小時(shí)，液體流量較小，傳熱管外不能形成穩(wěn)定柱狀流，此時(shí)傳熱管表面不能形成完整連續(xù)的液膜[見圖4a)和圖4b)]，只有部分表面被液膜覆蓋，局部存在“干壁”。布液密度較大時(shí)，流型轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢盍鳎瑐鳠峁鼙砻嫘纬赏暾囊耗見圖4c)]。

由于傳熱管表面各處液體受力不同，因此繞管不同角度處的液膜厚度也不一樣，總體上呈現(xiàn)頂部底部液膜厚，中間液膜薄的特點(diǎn)。圖5給出了布液密度為210 L/(m·h)時(shí)繞管1周液膜厚度的分布情況，這里定義傳熱管最上端位置角度為0°，最下端角度為180°。可以看出在0°時(shí)，液膜厚度約為0.25 mm，隨著繞管角度的增大，液膜厚度逐漸變薄，在90°時(shí)僅為0.10 mm，隨后由于重力的作用，液體在管下端重新聚集變厚，135°時(shí)變?yōu)?.20 mm，180°時(shí)增厚到1.00 mm，這主要是由于液體在傳熱管下端聚集所致。

圖5　布液密度為210 L/(m·h)時(shí)傳熱管外的液膜厚度分布Fig.5　The distribution of liquid film thickness around the tube when density of liquid distribution is 210 L/(m·h)

2.4　停留時(shí)間

實(shí)際工況下，降膜蒸發(fā)是一個(gè)連續(xù)的過程，原料液體不斷進(jìn)入，蒸發(fā)得到的蒸汽和濃縮液不斷離開，在穩(wěn)定工況下，原料液的進(jìn)入量和濃縮液的排出量都保持不變，一進(jìn)一出是一個(gè)動態(tài)平衡的過程。但是如果聚焦到某一滴液體，則其從進(jìn)入蒸發(fā)器到離開存在一個(gè)生命周期。了解液體在蒸發(fā)器中的停留時(shí)間，對于優(yōu)化蒸發(fā)工藝條件，保證裝置長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

圖6為布液密度為90 L/(m·h)時(shí)，液滴下落不同瞬間的截圖。在0.10 s時(shí)，液滴落在傳熱管上端，開始與傳熱管接觸；在0.11 s時(shí)，液滴鋪展在傳熱管上；在0.13 s時(shí)，液膜已經(jīng)覆蓋了上半段傳熱管，此時(shí)第2個(gè)液滴也已經(jīng)分離，將要滴落在傳熱管表面。通過計(jì)算表明，一個(gè)液滴繞Φ19 mm傳熱管一周的時(shí)間約為0.06 s。據(jù)此可以估算出不同傳熱管布置的降膜蒸發(fā)器中液體的停留時(shí)間。

圖6　不同時(shí)刻液滴下落瞬間截圖，布液密度為90 L/(m·h)Fig.6　The sketch of liquid mist at different time when density of liquid distribution is 90 L/(m·h)

3　結(jié)論

采用計(jì)算流體力學(xué)模擬方法對水平管降膜蒸發(fā)器中傳熱管外液體流動過程進(jìn)行了研究，得到了不同操作工況下傳熱管間流型、傳熱管表面液膜分布以及液體停留時(shí)間的變化規(guī)律，研究結(jié)果對于降膜蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行工藝條件的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。研究結(jié)論如下：

1)采用兩相流模型計(jì)算得到的液滴在傳熱管表面的鋪展呈半圓型結(jié)構(gòu)，其結(jié)果與高速攝像試驗(yàn)結(jié)果一致，表明采用流體力學(xué)模擬方法可以準(zhǔn)確描述傳熱管外液體流動過程。

2)傳熱管外流體流型受布液密度影響，布液密度小于90 L/(m·h)時(shí)，為滴狀流；布液密度介于90～150 L/(m·h)時(shí)，為滴柱過渡流；布液密度介于150～300 L/(m·h)時(shí)，為柱狀流。

3)在不同繞管角度下，傳熱管外液膜厚度分布不均勻，呈現(xiàn)兩端厚中間薄的特點(diǎn)，平均液膜厚度分布為 0.20～0.50 mm。

4) 對于Φ19 mm傳熱管，布液密度為90 L/(m·h)時(shí)，液滴繞管1周所需時(shí)間為0.06 s。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙元軍.降膜蒸發(fā)器在維C工業(yè)中的應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程，1997, 14(1): 60-62

[2]何茂剛,王小飛,張穎,等.水平管降膜蒸發(fā)器管外液體流動研究及膜厚的模擬計(jì)算[J]. 熱科學(xué)與技術(shù), 2007, 6(4): 319-325

[3]尹建華,呂慶春,阮國嶺.低溫多效海水淡化技術(shù)[J].海洋技術(shù)，2002, 21(4): 22-26

[4]阮并璐,劉廣彬,趙遠(yuǎn)揚(yáng). 制冷系統(tǒng)中水平管降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部流動數(shù)值模擬[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008, 42(3): 318-322

[5]PATANKAR S V. Numerical heat transfer and fluid flow[M]. New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1979

[6]許莉, 王世昌, 王宇新, 等. 水平管外壁液膜流動狀態(tài)及其對傳熱的影響[J]. 化工學(xué)報(bào)，2002, 53(6): 555-559

[7]SLESARENKO V. Hydrodynamics and heat exchange during film evaporation of sea water in a vapour-water upflow[J]. Desalination, 1980, 33: 251-257