异形管降膜传热与流动数值模拟研究.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123084
异形管降膜传热与流动数值模拟研究
罗林聪,张冠敏,田茂诚,潘继红
(山东大学能源与动力工程学院,济南,250061)国家重点基础研究发展计划(973项目)(2007CB206903)和山东省科技攻关项目(2008GG10007009)资助。
第一作者:罗林聪(1987~),山东大学能源与动力工程学院,博士研究生;
通讯作者:田茂诚(1965~),山东大学能源与动力工程学院,教授/博导。

(Tel:0531-88395592 Email: ******@.)
摘要:对海水淡化系统中水平管外液体流动传热过程进行了二维数值模拟,考察了光滑圆管和滴形管、蛋形管两种异形管的液膜厚度随管型、喷淋密度的变化规律,分析了液膜内无量纲温度的变化规律。结果表明:液膜厚度均随喷淋速度的增大而变大;圆管、滴形管和蛋形管的液膜厚度最小值依次减小,且分别出现在周向125°、160°、170°附近。膜内热边界层厚度随着喷淋密度的增大和周向角度的减小而减小,而异形管的热边界层较圆管的薄,传热性能更优。
关键词:异形管;降膜流动;数值模拟;海水淡化
0 前言
作为海水淡化中快速发展的技术之一,低温多效蒸发因其高效的传热传质性能而得到了大力发展和广泛的研究,其最高工作温度通常不超过70℃[1]。低温多效蒸发系统中广泛使用具有小温差和低流量下高传热系数等优点的水平管降膜蒸发器。国内外大量学者对降膜蒸发开展了流动与换热的理论实验研究。解利昕[2]研究了水平管降膜蒸发在海水淡化过程中的应用,进行了喷淋与传热实验,得出总传热系数随着管外液体的流动状态变化。Rifert等[3]对降膜蒸发开展了实验研究,结果发现传热管顶部传热系数最大,随着周向向下流动,传热边界层逐渐加厚,热阻增加,传热系数相应变小;在管最低部,由于液体的撕裂滴落,传热系数略有增加。Rogers and Goindi[4]实验计算了水平圆管表面水的降膜厚度,得出如下的关系式:
(1)
Hu and Jacobi[5, 6]实验研究了液体、管径、管间距和流量对降膜流型转变的影响,给出了不同流型间转变的关系式[5]:
(2)
其中系数a,b随着流型的不同而具有不同的值。
近几十年来,CFD数值计算作为理论和实验研究之外的一种科研手段,得到了大力的发展。Jafar[7]于2007年进行了水在水平圆管表面降膜流动的二维数值模拟,研究了不同管排数对流型的影响。何茂刚
[8]和王小飞[9]等研究了单孔孔径、速度、管间距和管排数等参数对制冷剂R134a在圆管表面液膜分布的影响,得出了对于给定的流速存在一个最佳的开孔孔径[8],低流速时下排管束易出现局部烧干现象,管间距增大使液膜厚度普遍呈减小的趋势[9]。邱庆刚[10, 11]也对水平管降膜蒸发器管外液体的成膜情况进行了数值模拟分析,考察了管束布置方式、管间距和管子直径等参数对膜厚的影响。
上述文献都是以圆管为研究对象,而文献[12, 13]分别对椭圆管和滴形管用于凝结换热进行了研究,但是对于异形截面管用于降膜蒸发的流动传热研究目前相关报道还不是很多。为了考察异形管管外降膜流动传热情况,本文开展了滴形管和蛋形管管外表面降膜流动的二维数值模拟,并以圆管为标准进行对比分析。研究了异形管管外液体的流动形态、厚度分布,着重探讨了喷淋速度和管型对膜厚的影响,以期对异形管用于降膜蒸发器的研究提供一定的参考。
1 模型与方法
物理模型及网格边界条件
本文选取工业上常用的直径19 mm光滑圆管和两种异形水平管,即滴形管、蛋形管为研究对象,对管外液体的降膜流动和传热进行数值模拟。通过保证异形管与圆管的有效换热面积相等,优化得到了两种异形管的管型,其截面尺寸如图1所示。滴形管由上下两个圆的部分及其外公切线组成,蛋形管为上部的半圆和下部的半个椭圆组成。
图1 三种水平管的物理模型及尺寸结构
由于海水淡化低温多效蒸发系统的蒸发温度一般在70℃以下,本文选取60℃的饱和水作为流动工质,并假设外部空间充满此温度下的饱和水蒸气。对于水平管外降膜流动,有研究认为Re<4000-6000时,流动处于层流状态[14],而本文的Re范围为1674-4184,故设定计算区域内流动为层流状态。暂不考虑相变传热及汽液传质过程,并假定流体物性在整个计算过程中保持不变,如表1所示。
表1 流体工质的物性参数()
饱和水

×10-4

饱和汽

×10-5
/
由于管外流动为对称流动,采用对称边界条件。考虑到表面张力对液膜流动的影响,采用精度较高、适应性较强的四边形网格,并采用边界层加密技术对管壁