豎直管降膜蒸發器冷膜成形及流動特性數值模擬

楊 紅，陳 鑫，李鵬飛，楊 頌，何 垚

1.武漢工程大學機電工程學院，武漢 430205；2.化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），武漢 430205；3.深圳市純水一號水處理科技有限公司，深圳 518105

降膜蒸發器有節能高效、物料滯留時間短、傳熱溫差小等特點，非常適合熱敏性物料的蒸發濃縮，在工業上應用廣泛［1-4］。布液裝置是降膜蒸發器的核心部件，它與蒸發器的傳熱性能與操作穩定直接相關［5-6］。在布液裝置流體流動特性與管內流體成膜機理的研究中，計算流體力學（compu?tational fluid dynamics，CFD）數值模擬技術是一種有效的手段［7-8］。馬學虎等［9］運用數值模擬方法探尋了液膜隨進口擾動頻率、Re等要素變化而波動的演變過程。Boss等［10］將液體小波幅被迫擾動施加于進口邊界，結合數值模擬技術研究了液體黏度與其表面張力對液膜流動與波行為的影響。許松林等［11］對豎直降膜管內氣相并流操作條件下的液膜流動狀態進行了模擬仿真，分析了液膜流動與氣液兩相雷諾數之間的關系［11］。北京化工大學的李凱等［12］就液位高度、進液方式對溢流型布液裝置的布膜效果進行了數值模擬與實驗研究，分析了液位高度與進液方式對布膜效果的影響。王為術等對有機工質在降膜管內的流動特性與傳熱情況進行了系統研究，分析了噴淋密度、管徑大小、工質溫度等要素對布膜效果的影響［13］。李鐵、呂昌堯利用數值模擬技術分析了降膜管內氣體對液膜流速與液膜厚度的影響規律［14］。但上述研究工作往往著眼于單根降膜管的液膜分布，而影響布液裝置流體流動與成膜效果的因素眾多，單管模擬并不能準確地體現多管系統的液體分配與成膜情況。

本文基于Fluent軟件，將單層布液盤和錐形插件組合作用下的多管管束的流動特性和成膜過程進行了數值模擬，從管內液膜的形成、出口截面液相分布、降膜管進出口流量變化等方面，對比分析了有、無插件狀態下的布液模型的流動狀態和成膜效果，并重點研究了液膜平均厚度與平均流量之間的關系，探討了流量變化對成膜效果的影響。

1 降膜裝置CFD模型建立

1.1 結構模型

布液裝置主體結構示意如圖1所示，降膜管規為?38 mm×2 mm，正三角形排列，7根管組成最小管束，管中心距為48 mm，管長L為1000 mm。布液板高度H可調，調節范圍為10 mm～100 mm，筒體內徑D為150 mm。

采用錐形插件，插件下端外圓與降膜管內壁間隙為1 mm。基于Solidworks建立流體流動區域三維模型，適當簡化模型，忽略布液板上層流動區域，設置速度入口為邊界條件，入口速度與液位高度相關。布液裝置內部結構如圖2所示。

圖1 布液裝置主體結構示意圖Fig.1 Structure of liquid distribution device

圖2 布液裝置內部結構示意圖Fig.2 Internal structure of liquid distribution device

1.2 網格劃分

在Workbench中進行網格劃分。管內壁流體流動狀態是本研究的重點，故近壁面網格采用邊界層網格，管內流動區域采用高效率的六面體結構網格。圖3為流動區域整體網格示意圖，圖4為降膜管橫截面網格示意圖。

圖3 流動區域整體網格示意圖Fig.3 Overall grid schematic diagram of flow area

圖4 降膜管橫截面網格示意圖Fig.4 Grid schematic diagram of cross section of falling film tubes

1.3 初始條件和邊界條件

降膜布液過程本質是一種氣液兩相分層流動過程，流體體積分數模型（The Volume of Fluid multi-phase flow model，VOF）被廣泛應用于求解此類問題［15-16］。本文采用VOF界面追蹤技術，跟蹤氣液兩相運動界面位置，研究降膜布液過程中氣液兩相流體動力學特性。本模擬采用有限元差分法，選用流體體積分數多相流模型和重整化（Re-normalization group，RNG)湍流模型，采用三維雙精度求解器，以空氣和水為工質，選擇速度入口和壓力出口為邊界條件，操作壓強設置為標準大氣壓，計算過程為瞬態過程。入口流體與出口流體溫度均設置為300 K，固液面接觸無滑移。

2 結果與討論

2.1 降膜管內液膜的形成

液膜穩定后降膜管壁面氣液相分布圖如圖5所示。在兩相流氣液體積比云圖中，液體體積分數大的部分可視為液相區，液體體積分數小的地方可視為為氣相區。對比可見，無插件時水從管板流動到降膜管呈傾瀉狀態，不能形成均勻連續的液膜，而有插件時布膜均勻，液膜能基本覆蓋整個布膜管。

2.2 出口截面液相分布

液膜穩定后降膜管出口截面氣液相分布如圖6所示。對比可見，有插件時出口截面液體分布均勻，無插件時管壁液體周向分布極不均勻，不能形成均勻液膜。

圖5 管內壁氣液相分布云圖：（a）無插件模型，（b）帶插件模型Fig.5 Gas and liquid phase distribution cloud maps on inner wall of tube：（a）without plug-in，（b）with plug-in

圖6 出口截面氣液相分布云圖：（a）無插件模型，（b）帶插件模型Fig.6 Gas and liquid phase distribution cloud maps of the tube outlet section：（a）without plug-in，（b）with plug-in

2.3 降膜管進出口流量變化對比

圖7為液膜穩定后兩種布液裝置的進出口流量隨時間變化曲線，可以看出，帶插件布液裝置的出口流量波動幅度明顯低于無插件布液裝置，前者布膜穩定性好。這里需要著重強調，進出口流量的正負值是相對于流動區域而言的，進入到流動區域的為正值，流出流動區域的為負值。

圖7 進出口流量隨時間變化圖Fig.7 Flowchart of inlet and outlet with time

2.4 液膜平均厚度以及平均流速

Fluent軟件可輸出降膜管區域液相的體積分數以?B表示，據此可計算出液膜的平均厚度和平均流速。

式（1）和式（2）中，D為管內徑，QV為體積流量。

計算得到的液膜平均厚度δ隨流量QV的變化曲線如圖8所示。

圖8 平均液膜厚度隨流量變化圖Fig.8 Change of average film thickness with flow rate

當流量處于較小值時，平均液膜厚度也處于較小值，此時不能形成穩定液膜。在流量處于一定范圍內，液膜厚度與其成線性關系。當流量增大到600 mL/s左右時，平均液膜厚度趨于定值1.28 mm，繼續增大流量，液膜厚度不再有顯著變化。根據圖8數據，可推測繼續增大流量，液膜厚度不會明顯變化，但流速會成比例增大，當液體流速達到某一定值時，將無法形成連續穩定的液膜。

3 結 語

針對單層布液盤和錐形插件組合作用下的多管管束布膜裝置模型，就管束的流動特性和成膜過程進行了CFD數值模擬，得到如下結論：

1）有、無插件的布液裝置均能在降膜管內壁形成液膜，但是無插件時成膜情況不理想。錐形插件能顯著改善布膜效果，使分液均勻，液膜連續穩定，只要合理控制流量，不會出現“干壁”現象。

2）基于本文數據，帶錐形插件的布膜裝置在流體流量為620 mL/s時液膜厚度趨于穩定，膜厚約1.28 mm，繼續增加流量，液膜厚度無顯著變化，但流速相應增加，不利于連續液膜的穩定，也不利于介質在降膜管內的充分蒸發。