水平管内水蒸汽冷凝换热特性的数值模拟.pdf

2014年第42卷第11期
流体机槭
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文章编号:1005-0329(2014)11-0073-06
水平管内水蒸汽冷凝换热特性的数值模拟
宁静红,刘敬坤,刘圣春,诸凯,解海卫
(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室,天津300134)
摘要:对水蒸汽在内径为8m的水平圆管内,不同管壁温度、蒸汽流速、压力和入口过热度下的冷凝过程,采用通用
CFD软件 Fluent13.0中的 Mixture模型,结合UDF编程对水平管内冷凝物理模型迸行数值模抆。通过分析相应的冷凝
液分布云图、体积分数和局部换热系数的变化曲线,得出蒸汽在水平管内冷凝换热系数与壁温、蒸汽流速、压力和入口过
热度的变化规律。并将模拟结果与实验测试结果进行了对比,得出模拟结果比计算值偏高约30%
关键词:水怣汽;水平圆管;冷凝;数值模拟
中图分类号:TH137.8:TB61
文献标志码:A
doi:10.3969/j.1is.1005-0329.2014.11.016
Numerical Simulation of apor Condensation Heat Transfer Characteristic Inside Horizontal Tubes
NNG Jing-hong, LIU Jing-kun, IIU Sheng-chun, ZHU Kai, XIE Hai-wei
(Tianjin Key Iaboratory of Refrigeration Technology, T anjin University of Commerce, Tianjin 300134, China
Abstract By adopting e Mix ure Mel in D software uen 1 combined wth UDF procedure, the numerical simulation
was carried oul that water vapor condensates inside horizontal tubes which diameter is 8 mm, under different wall temperatures, va
por veloci ies ressures and nlet superheats By anal zing the condensation iui co, void fraction and local eal transfer
coefficient at different points, the rules are obtained that the condensation heat transfer coefficient changes with the wall tempera
tures, vapor velocities, pressures and inlet superheats. The comparison is done between the simulation result and the experimental
esults and it shows thal the simulation value is larger than the experimental one by 30%
Key words: vapor; horizontal tubes; condensation; numerical simulation
第二项的排液速度
符号
E一流动工质传递的总能量,J
L一管长,mm
有效传热
d一管径,
T一流体温度,K
T。一管壁温度,K
S附加热源
pm-一混合物的密度,kg/m
hー一工质的焓值,J/kg
混合湍流粘度
第q相的质量流速
T对于k湍流 Prandtl数
一第g相和p相的相对速度,m/s
p一第k相的密度,kg/m2
Ck一第k相的质量分数
h,一漂移速度,m/s
第k相的质量速度,m/s
质点的松弛时间
P一管内压力,Pa
缺省的拉拽函数
Hn-混合物的粘度,Pa?s
d,一第P相的粒子直径,m
平均质量速度,m
一体积力,N
第q相的粘度
g一重力加速度,m/s3
4一第相流速,m/s
收稿日期:2014-06-19修稿日期:2014-10-15
基金项目:国家自然科学基金项目(51006073);国家863计划项目(2012AMAO53001)
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FLUIDMACHINERY
Vol.42,No.11,2014
m一第P相进人第q相的质量流量,kg/m
本文所作假设
湍流导热系数,W/(m?K)
(1)流体常物性
s一耗散率
(2)三维稳态;
CGA-平均速度梯度中产生的湍流动能,
3)壁面为常壁温
Cらー一浮力中产生的湍流动能,J
Yw一压缩湍流中涨落膨胀度的全部耗散率
(4)流动处于旺盛湍流;
S--用户自定义源项
(5)气液两项均为连续流体
常数
(6)无不凝性气体影响
ん一一流体的焓,J/k
图1所示是模拟管段的简化示意,模拟人口
D一第二项P的颗粒直径,m
条件是饱和水蒸气,人口边界条件为速度入?,出
N一相的序号
边界条件为自由出流,壁面为常壁温。
R。一一雷诺数
.对于湍流 Prandtl数
1前言
图1模拟管段示意
大多数的冷凝器中,蒸汽工质在水平管内冷2.2数学模型
凝。根据蒸汽质量流速的大小,水平管内流动冷
本文采用 FLUENT中的 MIXTURE模型。
凝换热一般分为层流膜状冷凝和强迫对流冷凝。 MIXTURE模型是一个简化的多相流模型,用于模
当蒸汽质暈流速很低时,蒸汽在管子上部形成层
拟相速度不同、而在相对较小的尺寸空间内的能
流冷凝液膜,而冷凝液则在管子底部积聚而向下
流动,部分研究者认为3,通过管子底部液体的
量平衡的多相流流动模型。 MIXTURE模型求解
传热可以忽略不计。在工程应用中,水平管内蒸混合物的动量、连续和能量,第二相的体积分数方
汽流动的速度一般较高,雷诺数通常高于35000,
程,模拟体积分数较低的两相流流动。
是强迫流动冷凝过程。因此,研究管内强迫流动
混合物的连续方程为:
的冷凝换热特性是工质相变传热的一个重要内
容。由于冷凝现象本身的复杂性和对现象本质的
认识局限性,目前的理论尚不足以对工质在管内
U =24-2 Q,P k
流动冷凝问题进行完整的理论求解,采用实验方
法整理获取的关联式又具有一定的局限性“。
(3)
本文采用通用CFD软件 Fluent13.0中Mix-
动量方程通过加和各个单一相获得全部的动
ture模型,结合UDF编程对水蒸汽在水平管内冷
量方程
凝换热进行系统研究和理论分析,研究不同管壁
温度、蒸汽流速、压力和人口过热度下的冷凝液分
布云图、体积分数和局部换热系数的变化,得出蒸
V?p+V?[un(マ。+マ
汽水平管内冷凝换热系数、冷凝液体积分数随管
壁温度、蒸汽流速、压力和人口过热度的变化规+Pn8+F+V?(2apaU
律,为下一步寻找冷凝液排出