烧结型多孔管管内流动沸腾传热数值模拟.pdf

04
化工机械
2011年
烧结型多孔管管內流动沸腾传热数值模拟
韩坤刘阿龙彭东辉孙定芳王经2
(1.上海化工研究院;2.上海交通大学
摘建立了结型表面多孔管多孔层的理论模型,应用 Fluent软件对去高子水在燒結型表面多孔
管和光滑管竖直管内的流动沸勝进行数値模拟,得到了不同流速下的气相体积分布云图和压力场云因,
并利用场协同原理分析了管内的途度、溫度场。果表明,烧结型表面多孔管具有度好的强化沸腾传热
性能,同时并未大幅度增加管内压力降。此外还分析了不同体积流速对沸汽化量的形响,研究表明,
对于同一管型,管内流遠越小,汽化量越大。
关键词娆结型多孔管流动沸传热数值模拟
中田分类号7051.6文献标识码A
文章编号02546094(2011)01-0104-06
符号说明
针对多孔管管内介质流动沸腾的数值计算研究也
C、D一规定的常数矩阵;
很少。李祥东等利用双流体模型重点修正了
ん一一热燴,J/k
界面面积浓度和气泡挣脱直径的计算式,模拟了
多孔介质热惯量,J;
液氮在竖直圆管内的流动沸騰过程,其结果与实
多孔介质的有效热传导系数,W/(m2·K);
验数据基本吻合;熊少武?等对水平管外沸腾强
压力,Pa;
方程源项;
化换热进行了数值模拟,得出横纹橧管外侧能够
T一一温度,K
很好的强化沸腾传热,并分析了流量及热流密度
a一多孔介质的渗透性系数,m2/s;
对横纹槽管外传热系数的影响;高原?等对制冷
粘度,Pa:8
剂在水平光滑管内蒸发进行了数值计算。这些都
ロ一一速度,m/s;
对管内沸腾进行了研究,但却难以直接在烧结型
p一密度,kg/m;
表面多孔管上进行类似研究。基于此,笔者针对
多孔介质孔隙率
烧结型多孔管建立了二维非稳态多相封闭方程,
下标:
并采用通用 FLUENT6.3版本软件作为数值求解
f一一流体;
固体
工具,对比计算了在多孔管和光滑管的竖直流道
上标
内液态水的流动沸腾传热过程,获得了相关的计
h一一热炲。
算参数,具有一定的指导价值。
多孔表面管是上个世纪60年代末发展起来
多孔层模型及控制方程
的一种换热管,对沸騰换热有高效强化作用,它不1.1多孔层模型
仅能在小温差下保持核态沸腾,具有高的临界热
烧结型表面多孔管的数值计算研究很少,一
流密度,而且具有良好的抗垢能力)。目前关是由于多孔层难以建模,二是多孔层内传热理论
于多孔管的换热性能,虽然已经进行了大量的实方程难以描述,笔者引人多孔介质模型来解决。
验研究3,但是对于传热机理的认识尚不清楚,多孔介质是指多孔固体骨架构成的孔隙空间
上海市经委重大装备专项(ZX08058)和上海市科委节能减排项目(09dzl203200)。
命韩坤,男,1983年1月生,助理工程师。上海市,200062。
万方数据
第38卷第1期
化工机被
中充满单项或多项介质。通过这个模型,多孔层
对于简单的均匀多孔介质:
内的热传导问题便可描述,它符合介质和流体流
(2)
动之间的热平衡假设。
1.1.1多孔介质的动量方程
式中a一渗透性;
多孔介质动量方程具有附加的动量源项。该
C一内部阻力因子,其中D、C分别为对
源项由两部分组成,一是粘性损失项,一是内部损角阵1/a和C2,其他项为零。
失项,即:
1.1.2多孔介质中能量方程的处理
在多孔介质中,传导流量使用有效传导系数
∑D
过渡项包括了介质固体区域的热惯量为
nル,+(1ー中)p,ん)+マ?「i(ph+p)J=マ?[kVァー(エh)+(テむ]+
(3)
1.2控制方程
出口
Fluent软件中并未有计算沸腾相变的模型,
通过 Fluent自带的用户自定义函数UDF调用编
写的C语言脚本程序来定义并计算,沸腾换热的
UDF程序主要包括液相向气相转移的质量、气相
向液相转移的质量以及因相变而传递的潜热3个
管壁
部分。沸腾汽化过程属多项流范畴,采用VOF模
型计算沸腾产生的汽液炳相,计算过程为非稳态。
多层
2模拟计算过程
2.1模型结构
烧结型表面多孔管模型内径D=20mm,长度
L=50mm,管内壁烧结型多孔层厚度8=0.2mm,
图1娆结表面多孔管 Gamibit建模图形
孔隙率8=0.6。由于几何实体模型具有轴对称
性,因此可建立二维平面计算域以减少模拟计算
出口
量。为了便于分析烧结型表面多孔管的优势,同
时建立了相同尺寸的光滑管模型。
2.2网格划分
模拟计算时热量由管内壁面传入流体,并在
内壁面处生成气泡,故此附近区域是研究的重点,
管壁
网格需细化。如图1所示为烧结型表面多孔管模
型的网格划分,由于多孔层在模拟计算时归为流
体区域进行计算,故亦需对其进行网格划分并进
行细化。模型计算域划分为5400个大小不等的
网格。图2为光滑管模型的网格划分示意,计算
域共有4500个网格。
人口
2.3操作及边界条件的设置
图2光管 Gambit建模图形
两类管的压力参考点设置在出口界面上为常
压值;同时考虑竖直方向的重力影响,重力加速度0.02m/s和0.20m/8);压力出口(表压定义为
为9.81m/s2。边界条件包括,速度进口(速度为零);固体壁面材料为钢制,采用恒定壁温加热方
万方数据