船用降膜吸收器液膜波動特性數值分析

高洪濤，赫明月

船用降膜吸收器液膜波動特性數值分析

高洪濤，赫明月

應用CFD方法對搖擺狀態下的豎直管內降膜吸收流場進行了數值模擬。分析和討論了不同搖擺周期和搖擺幅度的搖擺狀態下液膜傳熱系數、液膜界面波動幅度的變化規律，以及劇烈搖擺對液膜流動的影響。結果表明：相較于靜止狀態，搖擺狀態下液膜波動更加劇烈。液膜波動的增大會促進氣液間的熱、質傳遞，有利于降膜吸收。但是，劇烈的搖擺會使液膜發生分離和脫落，阻礙降膜吸收的進行。

降膜;搖擺;吸收制冷;波動;數值模擬

在船舶上，特別是船用柴油機的排氣和冷卻水中有大量的余熱[1]，而吸收式制冷是一種非常有效回收和利用低品位熱能的重要技術[2]。利用吸收式制冷技術來回收和利用船舶余熱[3-4]，可以達到節約船舶的燃料消耗，降低船舶污染物排放的目的。

用吸收式制冷替代壓縮式制冷來驅動船舶空調在經濟性方面十分突出[5]，并已有學者做了初步的船用吸收式空調系統設計[6]。但是到目前為止，吸收式制冷尚未在船舶上應用，這是因為船舶在海洋中航行時的振動、搖擺等運動[7]，會對吸收式制冷的降膜吸收有很大影響。

相對于振動對吸收式制冷降膜的影響[8-9]，搖擺對吸收式制冷降膜的影響更大，但幾乎沒見到這方面公開發表的研究文獻。因此有必要進行搖擺狀態對降膜特性影響的研究，也為吸收式制冷在船舶上的推廣提供理論支持。為此，采用CFD方法，對搖擺狀態下的降膜特性進行數值模擬分析。

1 搖擺周期和搖擺幅度的選取

船舶在海洋條件下航行，主要包括升沉、首尾搖、搖擺(包括橫搖和縱搖)、橫蕩、縱蕩等運動形式，其中搖擺對吸收式制冷的影響最大。

就垂直管內降膜吸收而言，縱搖與橫搖并沒有本質區別。在實際的海況中，船舶的搖擺周期不超過15 s，縱搖幅度不超過7°，橫搖幅度不超過15°[10]。本文搖擺周期選擇了4 s、8 s和12 s，搖擺幅度選擇6°、10°和14°。

2 數值計算物理模型

圖1為管內降膜的物理模型：溴化鋰濃溶液從入口進入并沿管壁流動，同時5℃的水蒸氣從蒸汽入口進入到吸收管內，為溴化鋰溶液所吸收，吸收過程伴有放熱，其熱量被管外逆流的冷卻水所帶走。

二維的情況下，吸收管為軸對稱。當模擬搖擺時，吸收管以軸線為基準，完成周期性的左右搖擺。數值模擬的操作條件見表1。

2 模擬的結果與分析

2.1 搖擺對降膜吸收傳熱系數的影響

圖2所示的是靜止狀態和搖擺幅度為6°、10°和14°，以及搖擺周期為4 s、8 s、12 s和16 s的搖擺狀態時液膜傳熱系數的變化情況。

表1 數值模擬的操作條件

從圖2中可以看出，在本研究范圍內，搖擺周期越大液膜的傳熱系數越高；搖擺幅度越大，液膜的傳熱系數越低。分析其原因、小的搖擺周期和大的搖擺幅度，意味著搖擺的劇烈。而過于劇烈的搖擺會使得液膜變得更加薄厚不均，甚至發生分離和脫落，熱量傳遞變差。

從圖中還可以發現：在搖擺狀態下，搖擺幅度為6°，搖擺周期為12 s、16 s時，液膜的平均傳熱系數的值要比靜止狀態的值大。這說明搖擺狀態對液膜熱量傳遞的影響并非都是不利的。大周期，小幅度的搖擺還會促進液膜熱傳遞的進行。這與文獻[11]的實驗結論一致，也驗證了本模型模擬合理性。

2.2 搖擺狀態對液膜界面波動的影響

搖擺狀態下，液膜受到搖擺引起的附加慣性力的影響，其液膜波動更加劇烈，液膜的波動幅度(見圖3)會增大。而液膜的波動幅度的增大會增加液膜和蒸汽的接觸面積，有利于氣液間的傳熱、傳質。

為方便研究，定義液膜相對波動幅度為搖擺時的液膜波動幅度和靜止時的液膜波動幅度的比值。圖4為相同管內位置的液膜在靜止狀態和搖擺狀態下的變化情況對比圖。搖擺狀態為當搖擺周期為4 s、搖擺幅度為10°、吸收管搖擺到7°時的管內液膜變化情況。

由圖4可見，搖擺狀態對液膜有很大的影響。主要體現在兩點：①液膜的厚度有所增加，這是因為搖擺使得液膜的速度降低，這樣就增加了液膜在吸收器內的停留時間，溶液進口流量不變的情況下膜厚有所增加；②液膜波動的變化，波長有所增長，波幅增大。分析其原因，是因為搖擺狀態給液膜帶來一個附加的慣性力，致使液膜的波動發生了變化。

搖擺周期和搖擺幅度對液膜波動幅度影響如圖5所示。圖中給出了3種搖擺周期(4 s、8 s和12 s)和3種搖擺幅度(6°、10°和14°)時液膜波動幅度的變化情況。由圖5可見，相同搖擺周期時，隨著搖擺幅度的增加，液膜的波動幅度在不斷增大。而相同搖擺幅度時，隨著搖擺周期的增大，液膜的波動幅度逐漸降低。

2.3 劇烈搖擺對液膜流動的影響

圖6為靜止和劇烈搖擺(搖擺周期為4 s，搖擺幅度為14°)時液膜厚度沿壁面的變化。由圖6可見，從進口位置到50 mm處，靜止和劇烈搖擺時的液膜表面均開始出現小的波動，不過搖擺時的液膜波動幅度略大于靜止時。而在流動到50～100 mm處，劇烈搖擺時的液膜表面波動幅度繼續增大，已經明顯高于靜止時的液膜波動幅度。在流動到100～150 mm處時，劇烈搖擺時的液膜表面波動振幅急劇增大，此時液膜發生了分離和脫落的情況(如圖7所示)。

從上述液膜流動過程可以看出：液膜在沿壁面流動的過程中，本身受外界擾動因素的影響，液膜的表面會出現小幅的波動。隨著液膜在重力作用下繼續向下流動，在靜止狀態時，液膜的波動幅度雖然也有所增加，但會逐漸變得比較穩定；而在劇烈搖擺狀態時，液膜受到搖擺慣性力的作用，其波動幅度越來越大，當波動達到一定程度后，液膜出現了分離和脫落的情況。液膜的分離和脫落對降膜吸收是十分不利的，會大大降低吸收效果。

3 結論

1)搖擺的劇烈程度直接影響液膜的傳熱系數。大的搖擺周期和小的搖擺幅度的搖擺運動會促進液膜的熱量傳遞；而小搖擺周期和大的搖擺幅度則會不利于傳熱。

2)搖擺會造成液膜界面波動的增強，而且相同搖擺周期時，搖擺幅度越大界面波動也越大。

3)劇烈的搖擺會破壞液膜的穩定性，使得液膜出現分離和脫落的情況。這會對降膜吸收產生很不利的影響，所以應當盡量避免和防止這種情況的發生。

4)對搖擺狀態下降膜吸收特性的研究，有助于吸收式制冷在船舶上的推廣，所建立的搖擺狀態下降膜吸收的CFD模型，可以為后續的船用吸收式制冷的研究提供借鑒。

[1] 高洪濤,赫明月.乙醇柴油替代燃料排放功效及熱力學效率計算分析[J].船海工程,2015,44(2):111-114.

[2] 徐杭田,孫團,吳猛猛,等.船舶溴化鋰吸收式制冷裝置模擬器的設計與實現[J].中國修船,2014,27(4):13-15.

[3] CHEN Ya-ping, TIAN Ying. Aqueous ammonia solution cooling absorption refrigeration driven by fishing boat diesel exhaustheat[J].Journal of southeast University,2010，26(2):333-338.

[4] 高洪濤,鞠曉群,毛寶龍.以船舶柴油機冷卻水余熱為熱源的TFE/TEGDME吸收式制冰系統[J].工程熱物理學報,2013,34(7):1204-1208.

[5] 孫洲陽,涂光備,張于峰.吸收式制冷機在船舶上應用的技術經濟分析[J].電力與能源,2001,22(4):149-151.

[6] 沈波,潘新祥,王維偉.船舶余熱吸收式制冷空調[J].中國航海,2012,35(4):33-36.

[7] MURATA H, SAWADA K I, KOBAYASHI M. Natural circulation characteristics of a marine reactor in rolling motion and heat transfer in the core[J]. Nuclear Engineering & Design,2002,215(增刊1/2):69-85.

[8] LIU Yan-li, XU Shi-Ming, ZHAGN Li-song,et al. Numerical modeling of heat and mass transfer of falling film absorption in a vertical tube with TFE/NMP[J]. Fluid machinery,2002,30(1):57-57.

[9] 譚思超,高璞珍,蘇光輝.搖擺運動條件下自然循環流動的實驗和理論研究[J].哈爾濱工程大學學報,2007,28(11):1213-1217.

[10] 梁宵,李巍.船舶操縱性與耐波性[M].大連：大連海事大學出版社,2012.

[11] 丁帆.吸收式制冷機在搖擺條件下的特性研究[D].大連:大連海事大學，2015.

(大連海事大學 制冷與低溫工程研究所，遼寧 大連 116026)

Numerical Analysis on Fluctuation Characteristics of Marine Falling Film

GAO Hong-tao, HE Ming-yue

(Institute of Refrigeration & Cryogenics Engineering, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

The characteristics of falling film in rolling state were studied. Using CFD technology, the flow field of falling film absorption was simulated. The variation laws of heat transfer coefficient, interface fluctuation and influence of violent rolling on the falling film were analyzed. The simulation results indicated that compared to stationary state, the film fluctuation is more intense under rolling state. The film fluctuate enhances the heat and mass transfer, which is in favor of falling film absorption. However, violent rolling cause separation and shedding of the film, which will seriously hinder with falling film absorption.

falling film; rolling; absorption refrigeration; fluctuations; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.018

2016-05-31

交通運輸部海事局科技項目(2012_27);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(3132016338)

高洪濤(1966—)，男，博士，教授研究方向:制冷、船舶節能、可持續/可再生能源利用

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0073-04

修回日期：2016-07-29