傾斜管式蒸發冷凝器管外液膜的三維數值研究

趙志祥 蔡業彬 張銥鈖

(1. 廣東石油化工學院機電工程學院；2. 太原理工大學化學化工學院)

傾斜管式蒸發冷凝器管外液膜的三維數值研究

趙志祥1,2蔡業彬1張銥鈖2

(1. 廣東石油化工學院機電工程學院；2. 太原理工大學化學化工學院)

利用Fluent軟件對傾斜橢圓管式水膜蒸發冷凝器管外成膜情況進行了三維數值模擬，分析了噴淋流量、布液器與側壁間距及周向角度等參數對管外液膜厚度和分布的影響。結果表明：管外液膜沿管壁向下側壁面方向發生偏移，使遠離上側壁面的位置更易鋪展成膜，近上側壁面的橢圓管底端易產生干斑；隨著布液器與壁面間距的減小，流體在上、下側壁上的分流現象隨之明顯；噴淋流量一定時，周向液膜厚度分布先減小至周向90°位置后開始增大。

蒸發冷凝器 傾斜橢圓管 液膜厚度 數值模擬

水膜蒸發冷卻技術是利用傳熱表面覆蓋水膜的非飽和蒸發、相變潛熱帶走熱量的一種環保、高效、節能的冷卻方式。水膜式蒸發冷凝器是將水冷與空冷、傳熱與傳質等過程結合為一體，將顯熱和潛熱結合的一種高效節能冷凝設備。因蒸發式冷凝器改變了傳統的顯熱散熱方式，被廣泛應用于冶金、空調、石化、電力、化工及建材等領域[1,2]。傾斜管式水膜式空冷器克服了因水膜布置不均勻而造成的管束中間與兩端傳熱效率不一致以及局部干斑與腐蝕的缺點；同時傾斜管也更有能力將凝結液體及時導出，降低工作阻力，增強了傳熱效果[3,4]。通常，熱交換的核心元件傳熱管均是以圓形截面為主的，隨著計算流體力學和微觀傳熱技術的發展，人們開始關注橢圓管對液膜流動和強化傳熱的影響，國內外許多專家學者對橢圓管換熱進行了多方面的研究[5～9]。在凝汽器冷凝蒸汽的過程中，凝結水的排開速率極大地影響著設備的正常運行與安全，當凝結水不能及時排開時會導致背壓升高，冷凝管破損等問題[10]。但近年來的研究主要集中在水平管方面，對于利于排水的傾斜管式蒸發式冷凝器幾乎沒有研究。

筆者基于Fluent的VOF方法對傾斜橢圓管外成膜情況進行了模擬研究，分析了得出了入口流量與布液器位置對管外液膜分布、厚度的影響，為開發基于傾斜橢圓管的蒸發空冷裝備做了探索性研究。

1 數值模擬方法

1.1 模型與基本參數

傾斜橢圓管外液膜流動的物理模型如圖1所示，為減少計算量，適當縮短了管長，橢圓管正上方布置3個布液器，布液孔為邊長3mm的正方形，布液高度等于橢圓長半軸長度，橢圓管長半軸28.5mm，短半軸19mm，橢圓管中軸線與水平面夾角為15°，數值計算域簡化為模型的橫向的一半。其中C1為上方布液器與壁面的水平距離，C為兩布液器間的水平間距，C2為下方布液器與壁面的水平距離，且C=C1+C2=18mm。

圖1 傾斜橢圓管單管外流動換熱模型

1.2 流體物性與基本假設

假設所選取的計算區域內流體的流動為湍流，計算流體介質為蒸餾水，流動狀況視為常溫、常壓，由于本研究主要是對管外液膜的分析，故不考慮橢圓管的傳熱情況，并且假定計算域內除蒸餾水外充滿了空氣，其物性參數為常數(表1)。

表1 流體物性參數

1.3 網格模型與邊界條件

網格模型采用三維計算模型，網格生成軟件使用目前被業內人士高度認可的ANSYS ICEM CFD。本模型采用易于計算的六面體結構性網格，并對管壁附近區域進行了加密處理，圖2為網格劃分及局部放大示意圖。計算時分別比較了網格數為285 393、507 871、1 213 439的計算模型，結果較為相似，為了更加高效的計算，最終選定網格數為285 393的計算模型；另外也比較了時間步長分別為0.05、0.10、0.20ms的計算結果，其中0.10ms時間步長的殘差收斂圖像最為穩定，結果較為精確。

圖2 網格模型示意圖

計算區域內液相水入口處設為速度入口邊界；空氣自底部豎直向上進入，設為壓力入口邊界；上方邊界設為壓力出口邊界，底部橢圓管下方出口設為壓力出口邊界，并且壓力都設為大氣壓；為分析橢圓管兩端布液情況，所以上下側壁面皆設為壁面邊界；正面與背面都是取在管間的對稱面上，設為對稱邊界；傾斜橢圓管壁設為壁面邊界條件。

1.4 控制方程及數值計算方法

質量守恒方程為：

(1)

式中t——時間；

u、v、w——速度矢量u在x、y、z方向的分量；

x、y、z——坐標方向；

ρ——流體密度。

由于將ρ視為常數，則模型簡化后為▽u=0。文中流體為牛頓流體，N-S方程可簡化為：

(2)

(3)

式中p——壓強；

μ——流體的動力粘度；

ρgx、ρgy——單元上的體積力，即液膜重力在x、y方向的分力。

多相流模型選用數值模擬方法中較為廣泛的VOF流體體積算法來計算兩相的流動情況，并且選擇更為精確的隱式計算方法。定義空氣為主相，蒸餾水為次相。

湍流模型選用RNGk-ε模型，相比于標準k-ε模型更適用于強旋流或帶有彎曲壁面的流動，因RNGk-ε模型的ε方程中增加了一個修正附加項，使得梯度較大的速度獲得了修正，所以計算結果更為精確。

采用有限體積法(FVM)的控制方程離散方式，壓力速度耦合算法選用適用于瞬態計算的PISO算法，壓力離散方式選用Presto算法，動量方程與氣-液面追蹤方法均選用更為精確的二階離散格式。

2 結果與分析

模擬分析了不同液體入口速度、不同布液器位置的液膜厚度分布情況，并且利用后處理軟件Tecplot讀取了橢圓管不同橫截面、不同角度的水膜厚度，通過對水膜厚度的數據分析，總結了傾斜橢圓管的液膜厚度分布特性與規律。

2.1 噴淋流量對液膜分布的影響

在入口速度分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9m/s的工況下，筆者對C1=6mm，C2=12mm條件下進行了數值模擬。

蘇母轉過身問女兒：婷婷，告訴媽，懷了幾個月了？蘇婷婷笑笑：媽，你還真當回事呀？我根本就沒懷孕，那是騙你們的！蘇母和蘇穆武愣住了：什么？騙我們？蘇婷婷說：你們也不想想，從小你們就教育我要遵守傳統道德，我是那么一個乖孩子，能不聽你們的話嗎？我和杰克婚前就沒上過床，要懷孕才怪呢？這么低級的謊言你們也信，只能說明太沒智商了！蘇穆武和老伴張口結舌，面面相覷。蘇婷婷接著說：再說了，我和杰克早商議好了，婚后不要小孩！你們就別琢磨這事了！沒別的事我走了！拜拜！蘇婷婷揚長而去。

圖3為不同入口流速下的液相水膜分布情況，可以看出橢圓管底端出現了較為明顯的干斑區；當v≥0.7m/s時，液膜鋪展得較好，但是近上壁底部位置存在部分干區，其原因是由于傾斜管存在水平方向的剪切力，使液流速度方向無法一直保持豎直向下，液膜向水平方向偏移，因此出現了傾斜橢圓管的近上壁區易出現干斑，而其他位置的水膜質量較好的現象；同時，可以通過圖像直觀地發現，在橢圓管底端出現了較為明顯的液膜聚集現象；當v=0.9m/s時總體的水膜質量最好，近上壁底端并無干斑區，但是由于在液膜的鋪展過程中，兩布液器入口間的相向延展，致使接觸部分形成液膜的局部堆積，造成了液膜厚度凸起的現象。

圖3 不同入口流速下的液相水膜分布情況

為進一步研究管外液膜的分布情況，在v=0.9m/s的工況下，以液相體積分數0.5為兩相分界面，測量分析了管外周向和軸向的液膜厚度分布規律。圖4a為傾斜橢圓管周向液膜的平均厚度分布，圖4b為沿橢圓管周向θ=90°處水膜厚度的徑向分布。

圖4 管外液膜厚度分布

由圖4a可見，橢圓管外周向液膜在周向角0～115°間的分布較均勻，且周向角度在15～90°間液膜厚度逐漸平緩地降至最低；周向角在90～140°間，液膜厚度逐漸增加，且遞增速率明顯高于周向角0～115°間的遞增速率。當周向角大于140°之后，液膜厚度快速增加，致使橢圓管底端的液膜較厚。其周向分布規律總體上與水平橢圓管外的周向液膜分布情況規律十分相近[11]。

圖4b描述了由下側壁面處至上側壁面間的橢圓管外水膜厚度分布規律，可見，靠近兩側壁面處尤其是下側壁面的水膜厚度較厚，容易形成堆積，其原因是壁面的存在對液膜流動產生了一定阻力與引流的作用，而且橢圓管傾斜角度的存在使液膜更容易沿管壁傾斜向下流動，所以對下壁面的沖擊較為明顯；折線圖中的兩個鋸齒狀厚度突起部分形成的原因是在液膜的鋪展過程中，兩布液器入口間的相向延展，致使接觸部分液膜局部堆積，形成了局部厚度的凸起。由圖像可觀察到，由于傾斜角度的存在，使得三段均勻薄膜區的液膜厚度沿橢圓管的下端面方向均勻緩慢地變厚。

2.2 布液器位置對液膜分布的影響

由以上分析可知當流量為8.1cm3/s(v=0.9m/s)時模型C2=6mm的橢圓管外液膜質量最佳，為進一步分析傾斜橢圓管外的液膜分布情況，在入口流速v=0.9m/s的工況下，筆者對不同的近下壁面布液器位置與下壁面距離C1(3.0、4.5、6.0、7.5、9.0mm)進行了模擬計算。

圖5為布液器與兩側壁面不同的距離下的管外液膜情況，并可直觀地觀察出兩側壁面對傾斜橢圓管管外成膜情況的影響。可見，5種不同距離下的管外成膜情況均相對較好，并無干斑和嚴重的液膜堆積現象；C1=3.0mm時，可發現液體沿上側壁面耗散嚴重，浪費了部分水的流量，進而給能耗帶來了一定的負面影響。比較C1=3.0mm與C1=4.5mm，不難發現C1=4.5mm的上側壁面的液體耗散現象有一定的減弱，但同時下側壁面的耗散情況有所增加。通過比較C1=6.0mm和C1=7.5mm兩者水膜分布圖，可知C1=7.5mm的下側壁面和液膜耗散情況增加明顯，而上側壁面的流體的耗散也隨之減弱；當C1=9.0mm時下側壁面的分流現象十分明顯，無用耗散極其嚴重。從5組數據云圖可總結出，隨著布液器與壁面距離的減少，流體在側壁的分流情況也隨之明顯，引起了部分水資源的無用消耗。

由于當C1為4.5、6.0mm時，兩者的水膜質量均較好，而且兩側在兩側壁面上的分流情況總體上較為相近，故此對兩種條件下的液膜厚度分布情況進行了測量分析。

圖6為C1為4.5、6.0mm的條件下繞橢圓管中心軸垂直于豎直平面的切片，可見兩者液膜分布情況基本一致；不難發現兩者的近下側壁面的液膜厚度相差不大，但是對于近上側壁面的液膜而言，當C1=6.0mm時的液膜近壁處堆積現象更為不明顯。為進一步分析比較兩種條件下的液膜分布情況，對所述切片的液膜厚度進行了精確的測量，圖7為兩種條件下的液膜厚度分布折線圖，可見兩者液膜厚度總體上基本一致，但C1=6.0mm的情況下，水膜分布更為均勻，且上側壁面的液膜耗散情況相對較弱。

圖5 布液器不同位置的液相水膜分布情況

圖6 繞管中心軸90°切片氣液相分布云圖

圖7 傾斜橢圓管外液膜厚度分布

3 結論

3.1 傾斜橢圓管外液膜最小厚度在繞橢圓管中心線周向90°附近的位置，此處液膜流動快，傳熱效果最優。

3.2 由于傾斜角度的存在，使液膜流動沿橢圓管發生偏移，致使傾斜橢圓管遠離上側壁面的位置更易鋪展成膜，且近上側壁面的橢圓管底端極易產生“干斑”現象，出現傳熱不均、管壁腐蝕加重等問題。

3.3 布液器與壁面間的距離影響管外液膜的流動，隨著間距的減小流體沿上、下側壁的分流隨之加重，尤其下側壁面尤為明顯，造成能源消耗。

3.4 通過模擬不同流量和不同布液器位置下的管外液膜分布情況，得出C1=6.0mm、C2=12mm流量為8.1cm3/s條件下液膜質量較好，且兩側壁面的分流情況并不突出，在一定程度上降低了資源損耗。

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3DNumericalSimulationofFilmFormationonInclinedOvalTubeWaterFilmEvaporativeCondensers

ZHAO Zhi-xiang1,2, CAI Ye-bin1, ZHANG Yi-fen2
(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology; 2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology)

Numerical simulation of the film formation on inclined oval tube of the water film evaporative condensers was simulated; and the factors like the spray flow, the distance between the distributor and the sidewall and the circular angle of measured point which influencing the film thickness and distribution were analyzed. Results show that, the liquid film moves along the tube toward the lower sidewall and it forms the film away from the upper sidewall more easily and generates dry spots easily on the bottom of oval tube near the higher sidewall. With the decrease of the distance between the distributor and the sidewall, the fluid shunting on the sidewalls becomes obviously. Regarding certain amount of spray flow, the liquid film thickness decreases to a position of 90° circular angle at first and then becomes increased.

evaporative condenser, inclined oval tube, liquid film thickness, numerical simulation

國家科技型中小企業創新基金項目(12C26214405347)；廣東省自然科學基金項目(9152500002000003)；廣東省教育廳科技創新項目(2012KJCX0076)。

趙志祥(1991-)，碩士研究生，從事水膜蒸發空冷技術的優化研究和應用工作。

聯系人蔡業彬(1968-)，教授，從事化工過程機械相關方向的科研與教學工作，303977251@qq.com。

TQ051.6+1

A

0254-6094(2017)03-0328-06

2016-08-29，

2016-12-23)