納米流體水平管內沸騰流型的模擬研究

聶宇宏, 周長江, 姚壽廣, 王公利

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院,江蘇 鎮江 212003)

隨著科學技術的迅速發展,兩相流動體系在現代工業生產以及人類活動中的重要性日益凸顯.動力工業、航天工業以及石油化工工業的迅速發展,促使國際上對兩相流的研究興趣持續增長.納米流體,即以一定的方式和比例在液體中添加納米級非金屬、金屬或金屬氧化物粒子,形成一類新的傳熱冷卻工質[1],這是納米技術應用于傳熱學的創新型研究.對于納米流體理論和實驗的研究著重于熱傳導、對流、相變換熱等性能[2].將納米流體應用于氣液兩相流動與傳熱方面將大幅度提高換熱效果,但目前納米流體的研究還主要集中在管內強制單相流動,對于水平管內加入納米流體后的兩相流動和沸騰換熱的研究很少,并且研究者大多是基于實驗研究,對于理論研究不多,而水平管的氣液兩相流在工業生產中經常觀察到,有必要對其內的兩相流動和沸騰換熱進行分析.在實驗研究中,研究者已經觀察到不同納米顆粒濃度下納米流體沸騰的流型特點[3],但目前還沒有通過數值模擬的方法來得到其流型,并與實驗結果進行對比分析.兩相流動中流型是兩相流流動特性以及傳熱特性研究的基礎,不同的流型有著獨特的流動及換熱特性.流型的變化往往會引起換熱特性的變化,納米流體在氣液兩相流動中的流型轉變的研究是研究兩相流流動特性以及傳熱特性的基礎,只有掌握了納米流體在氣液兩相流動中的流型轉化規律才能更好的研究其在兩相流動中的其它諸如壓降換熱系數等規律,所以研究納米流體管內沸騰具有重要的實際意義[4].建立水平管內流動模型時,主要的問題是如何確定氣液兩相在流道內的分布.文中基于Fluent軟件,利用UDF編程定義納米流體相變源項,對Al2O3-H2O納米流體在水平管內沸騰過程進行了數值模擬,確定了納米流體氣液兩相在流道內的分布情況.

1 控制方程

1.1 模型基本方程

采用分相模型,把兩相介質看成兩種單相流動(氣相和液相),分別取各自的介質參數,建立兩相流基本方程[5].模型的建立是從每相的諾維-斯托克斯方程開始的.設k為代表相的角碼(k=g,l).每一相的諾維-斯托克斯方程組:

連續方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

式中:k=g代表氣相,k=l代表液相;uk為相速度向量;pk為相壓力標量;I為單位張量;Tk為剪應力張量;gk為重力加速度向量;ek為比熱力學能標量,qk為潛熱.

1.2 UDF(自定義)源項方程

Fluent軟件中沒有計算沸騰相變的模型,利用自定義函數UDF調用編寫的C語言來定義并計算,沸騰換熱的UDF程序主要包括:液相向氣相轉移的質量、氣相向液相轉移的質量以及因相變而傳遞的潛熱.程序定義了不同相之間的質量傳遞和能量傳遞.由質量守恒性,在傳輸過程中各相質量之和是不變的,這是作為源項定義在液體和蒸汽的體積比例方程中的.另外,在能量的源項中考慮到了在吸收與釋放熱量過程中的潛熱.

采用VOF模型計算沸騰產生的汽液兩相.計算過程為非穩態.

對于蒸發沸騰過程,需要對源項方程[6-7]進行修改,修改方程:

液相源項方程

(4)

氣相源項方程

(5)

能量源項方程

(6)

式中:0.1為控制相變強度的因子;α1為液相的體積分數;ρ1為液體密度,單位為kg/m3;T1為混合區液相溫度,單位為K;Tsat為混合區蒸發溫度,單位為K;ΔH為對應壓力下的汽化潛熱,單位為kJ/kg.

2 物性參數及模型建立

模擬對象為水平圓管,直徑10 mm,長度100 mm.采用有限體積法建立離散方程,將控制體積界面上的物理量及其導數通過節點物理量差值求出,已知邊界溫度,采用第一類邊界條件.由于納米顆粒的粒徑d極細(d<100 nm),很容易流動,所以可將這些顆粒近似看作流體,將納米流體看作普通的純流體,在非連續的分散的顆粒和連續的液體間不存在滑移,且兩者處于局部熱平衡,所有適合純流體的連續性方程、動量和能量方程都可直接用于納米流體,只是在其中使用納米流體的熱物性[8].文中使用納米顆粒濃度分為0.1%,1%,2%的Al2O3-H2O納米流體.數值模擬中所采用的納米流體熱物性由以下公式確定[9].

密度

ρnf=(1-φ)ρf+φρp

(7)

比熱

(Cp)nf=(1-φ)(Cp)f+φ(Cp)p

(8)

粘度

(9)

導熱系數

(10)

式(7～10)中,β=1+γ,β1=1+γ/2,γ=h/a,klr=2kf,h為界面層厚度,單位為m;α為粒子半徑,單位為m;k為導熱系數,單位為w·(m·k)-1;φ為納米粒子體積濃度;ρ為密度,單位為kg·m-3;Cp為比熱,單位為J·(kg·k)-1;μ為粘度,單位為kg·(m·s)-1;下標eff,p,lr,f,nf分別代表有效,粒子,界面層,基液和納米流體.經過計算,得到計算所用的物性參數(表1).

表1 物性參數表Table 1 Physical property parameter

水平圓管進口端設置為速度進口邊界條件,進口溫度為300 K,進口壓力為常壓,進口速度為0.01 m/s.圓管出口端由于出口的壓力、溫度等條件未知,所以設置為出流邊界條件,對整個圓管采用恒定壁溫加熱方式,施加573 K的恒溫加熱,計算時考慮了豎直方向的重力影響.

3 模擬結果對比分析

分別對純水以及納米顆粒濃度為0.1%,1%,2%的Al2O3-H2O的納米流體水平管內沸騰時速度場以及氣相體積分數的分布進行模擬,氣相分布圖刻度代表氣相在管內的體積分數,得出的模擬結果即流體沸騰時的流型.

3.1 純水與不同納米顆粒濃度的Al2O3-H2O納米流體管內沸騰速度云圖

純水(圖1)分別與納米顆粒濃度為0.1%(圖2)、1%(圖3)、2%(圖4)的Al2O3-H2O的納米流體管內沸騰時的速度場進行模擬分析,在圖中可以看出,沿管長方向,從入口到出口的流動過程中,速度不斷增大,流場分布基本相同.但是純水與不同納米顆粒濃度的Al2O3-H2O納米流體的速度梯度變化有所不同,不同納米顆粒濃度的納米流體管內流動速度變化也有所不同.納米顆粒濃度對于納米流體管內流動速度具有一定的影響.

圖1 純水速度云圖(m/s)Fig.1 Contours of velocity Magnitude of Pure water

圖2 Al2O3-H2O(顆粒濃度0.1%)速度云圖(m/s)Fig.2 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(0.1%)

圖3 Al2O3-H2O(顆粒濃度1%)速度云圖(m/s)Fig.3 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(1%)

圖4 Al2O3-H2O(顆粒濃度2%)速度云圖(m/s)Fig.4 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(2%)

3.2 不同納米顆粒濃度納米流體在水平管內沸騰的流型

圖5為模擬得到的不同納米顆粒濃度的Al2O3-H2O納米流體流型.從圖中可以看到,對于納米顆粒濃度分別為0.1%、1%和2%的Al2O3-H2O納米流體,納米顆粒濃度對于流型特性幾乎沒有影響.這與高亦普等[4]在實驗中觀察的一樣(圖6),其原因是由于液體表面張力是影響流動特性的支配因子,而納米顆粒濃度對液體表面張力的影響較小,因此,對于不同納米顆粒濃度的納米流體,其兩相流流型幾乎完全相同.

圖5 不同納米顆粒濃度的Al2O3-H2O納米流體流型(氣相分布)Fig.5 Different Al2O3-H2O nanoparticles concentrations of nanofluid type flow(gas phase distribution)

a)氮氣與0.5%SDBS水溶液

b)氮氣與1%SDBS水溶液

c)氮氣與2%SDBS水溶液

3.3 納米流體與純水在水平管內沸騰流型對比

為了更深入地分析納米流體在水平管內沸騰流型,文中與研究較為成熟的純水作為對比進行研究分析,模擬中得到的純水流型的模擬結果與文獻[3]、文獻[10-11]的實驗及分析結果完全一致.由于納米顆粒濃度對于水平管內沸騰流型特性幾乎沒有影響,文中以納米顆粒濃度為1%的Al2O3-H2O納米流體來研究納米流體在水平管內沸騰流型(氣相分布以及速度場分布).

從圖7～10的對比可以看出,Al2O3-H2O納米流體在水平管內沸騰階段,與純水管內沸騰相同,也依次出現了泡狀流(圖7)、彈狀流(圖8)、層狀流(圖9)、波動流(圖10)等流型[12].水平管內沸騰蒸發產生的相變含氣率沿著管長方向不斷增加,但是從對比圖還可以看出，在相同截面位置,納米流體的含氣量高于純水的含氣量,基液在沸騰時所出現的流型變得明顯不同,納米流體增強了流動沸騰的不穩定性,強化了流體的擾動與混合,使管內流體能較快達到沸騰蒸發所需要的溫度,從圖7，8，10可以看出,在加入納米顆粒之后,觀察到泡狀流、彈狀流以及后面的波狀流更加劇烈,更容易產生沸騰.從圖9可以看出，加入納米流體后,層狀流變的不穩定,很容易形成波狀流,納米顆粒的加入,增強了沸騰的不穩定性,改善了水平圓管的流動特性.

圖7 純水與Al2O3-H2O納米流體泡狀流型對比Fig.7 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid bubble flow diagram

圖8 純水與Al2O3-H2O納米流體彈狀流型對比Fig.8 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid slug flow diagram

圖9 純水與Al2O3-H2O納米流體層狀流型對比Fig.9 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid stratified flow diagram

圖10 純水與Al2O3-H2O納米流體波狀流型對比Fig.10 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid wave flow diagram

4 結論

1)對于Al2O3-H2O納米流體,納米顆粒濃度對于流型特性幾乎沒有影響;

2)Al2O3-H2O納米流體在水平管內沸騰階段,與純水管內沸騰相同,也依次出現了泡狀流、彈狀流、層狀流、波動流等流型;

3)納米流體管內沸騰的流型與純水的流型相比,納米流體管內沸騰更加劇烈,速度梯度變化增大,增強了流動沸騰的不穩定性,改善了水平管的流動特性；

4)水平管內沸騰蒸發產生的相變含氣率沿著管長方向不斷增加,但相同截面位置納米流體的含氣量高于純水的含氣量,強化了流體的擾動與混合；

5)納米流體沸騰的研究目前還處于初步階段,納米顆粒的無規則運動,使得問題變得更加復雜,關于納米流體流動沸騰的流型特點以及換熱機理還有待于更進一步的理論與實驗研究.

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