高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟

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( 3)Байду номын сангаас
式中
下角标 k 和 j 为相标记, 取 L 或 g 时分别代 、 、 v、H 、 ! 、 k!和 S 分别表示
jk
采用双流体 模型
表液相或气相;
分析了高压过冷沸腾中气液两相流局部参数分布特 性。随后较多研究者对过冷沸腾进行了数值模拟及 实验的研 究
[ 4 11]
体积分数、密度、速度矢量、焓、有效黏性系数、 有效热导率及源项 ; 、 Fkj 和 Q kj 分别为相间的质
Received date: 2009- 09- 21. Corresponding author: Prof . M A O Y u, maoyu@ cu p edu cn
第3期
窦从从等 : 高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟 Qk j +
jk
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H k+ Sk
e
有十分重要的意义。 Bart olom ej 等[ 1] 较早对垂直管中高压水过冷沸 腾进行了实验研究。 Kurul 等
1 2 4 相间能量传递 气液两相间的能量传递为 经过相界面面积 A L g 的传热速率, 计算式为
QLg = hLg A L g T g - T L ( 10)
Pressure / M Pa 4 5 5 4 6 4 5 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4
气相温度设置为饱和温度 , 假定在相变过程中 保持不变 , 壁面加热引起的源项只在液体相能量方 程中考虑。液体相能量方程的源项为
Abstract: T he subco oled boiling flo w of w at er in a vert ical tube under hig h pressure and hig h subco oling condit ion w as numerically sim ulat ed using t he tw o f luid model, in w hich t he bubble diam et er m odel w as a key facto r t o describe t he subcoo led boiling pr ocess T he inf luence of bubble diam et er on t he w all heat tr ansf er w as r evealed by co mparing dif f erent bubble diamet er m odels, and t he model suit abl e f or high pressure w as det ermined T he influence of pressure and w all heat f lux o n the f low and heat transf er charact er ist ics w as invest igat ed T he calculat ion result s show t hat the bubble depart ure diamet er decreases w it h increasing pressur e, w hich leads t o the incr ease in t he proport ion of sing le phase co nvect ive heat tr ansf er and the decr ease in t he surf ace heat t ransf er coef ficient M or eov er, t he ex tr em ely no nunif orm dist ribut ion of bubbles str ong ly depends on t he characteristics o f hig h pressure and high subcooling Bubbles ar e aggr eg at ed near t he w all w it h t he increase of w all heat flux , w hich has significant inf luence o n heat t ransf er charact erist ics of subcooled bo iling pr ocess. Key words: t w o fluid model; subcoo led boiling flow ; bubble diameter; surf ace heat t ransf er coef f icient 腾流动 , 较为常见的工况是管内介质的压力较高且 初始温度较低, 目前针对此领域内过冷沸腾传热的 研究相对较少。所以深入研究高压高过冷度下沸腾 及气液两相流的传热特性, 进一步了解沸腾传热机 理 , 对于提高系统的传热性能及优化系统设计都具
引
言
在石油、化工、能源及动力等工业领域 , 过冷
流动沸腾作为一种非常重要的传热方式得到广泛应 用。其中石油化工管式加热炉炉管内介质的过冷沸
2009- 09- 21 收到初稿 , 2009- 10- 21 收到修改稿。 联系 人 : 毛 羽。 第一 作 者 : 窦从 从 ( 1982 究生。 ) , 女, 博 士 研
c uL T W - T L kL
L pL
1- A q
( 4) ( 5) ( 6)
c
f A q TW - T L h fg
Qe = nf
∀ 3 d 6 bW
g
壁面总热通量为
QW = Qe + Q q + Q c ( 7)
1
双流体模型及过冷沸腾模型
双流体模型假定气泡相与流体相为相互贯穿的
1 2 2
相间动量传递
SL = Lg
h fg
( 11)
1 2 5
气泡脱 离直径
正 确预 测气泡 脱离直 径
[ 12]
于相间的质量 传递引起的相间动量传 递及能量传 递。为使方程能够封闭 , 需要补充相间传输项的关 系式, 以描述过冷沸腾过程中气液两相之间质量、 动量及能量的交换。 1 2 过冷沸腾模型 1 2 1 壁面热通量划分模型 [ 14 15] 在过冷流动沸 腾过程中, 气泡产生以前, 固体壁面完全被液体覆 盖 , 传热机理为单相对流传热。随着气泡不断在汽 化核心位置处形成、长大并脱离壁面 , 周围的冷液 体补充到气泡所占据的区域 , 瞬间被加热升温 , 存 在蒸发传热和激冷传热两种不同的机理。所以固体 壁面上的热通量分为 3 部分 : 蒸发热通量 Q e , 激 冷热通量 Q q 和液 体与 壁面 间的 单相 对 流热 通量 Q c 。热通量的计算式分别为
Numerical simulation of subcooled boiling flow under high pressure and high subcooling condition
DOU Congcong, MAO Yu, WANG Juan, WANG Jiangyun
( Colleg e of Chemical Eng ineer ing , China Petr oleum Univer sity , Beij ing 102249, China)
jk
, 多 是针对 一些低 压低 过冷度 工
量、动量和能量传输项 ;
vk 和
jk
H k 分别表示由
况。通过相关理论及实验的研究, 逐步认识到气泡 直径作为过冷流动沸腾模型的关键参数 , 包括气泡 脱离直径及主流区气泡直径。气泡直径大小不同 , 两相相界面浓度必然发生变化 , 形成两相间输运特 性的差异 , 也就对模型的预测精度起到显著影响。 孙奇等
动量守恒方程
t
k k k
v
+ !
k k
v k vk =
k
k
g - !pk +
jk k
!
e ! ! vk + ! vT k k
+ Fkj +
v
( 2)
时 , 传质方向为从气相到液相, 气体冷凝。当液体 过热时 , 传质方向为从液相到气相, 液体汽化。式 中 , h Lg 为相间传热系数 , 根据 Ranz M arshall 关联 式获得 ; T s 为液体饱和温 度, 作为当 地压力的函
Inlet t emperat ure /∃ 200 200 200 210 220 200 200 200 200 Inlet subcooled Heat flux /∃ / kW m - 2 60 70 80 60 60 80 80 80 80 345 6 345 6 345 6 345 6 345 6 380 16 449 28 518 4 587 52
气液两相间的动量传递可
以通过相间作用力描述 , 主要考虑曳力 Fd 、升力 FL 、湍流耗散力 FT D 及壁面润滑力 FW 。 相间总作用力
FL g = Fd + FL + FT D + FW ( 8)
1 1 基本控制方程 连续性介质, 建立两相各自的控制方程 , 两相之间 的相互作用通过控制方程中的相间传输项来描述。 每一相的基本控制方程包括质量、动量及能量守恒 方程 , 具有如下的形式: 质量守恒方程
第 61 卷 第 3 期 2010 年 3 月
化 工 学 报 CIESC Journal
Vo l 61 N o 3 M arch 2010
研究论文
高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟
窦从从, 毛 羽, 王 娟, 王江云
( 中国石油大学化工学院 , 北京 102249)
摘要 : 采用双流体模型对高压高过冷度下垂直圆管中 水的过 冷流动沸 腾进行 了数值 模拟。通过 对比不 同气泡 直 径模 型 , 揭示 了气泡直径对于壁面传热方式的影响 , 确定了 适合高压 工况的 气泡直 径模型。考 察了压 力及壁 面 热通量对流动及传热特性的影响。 计算结 果表 明 , 压力 增加 气泡脱 离直 径减小 , 单相 对流传 热所 占比例 增加 , 表面 传热系数减小。高压高过冷度特征决定了气泡 相分布 极不均 匀 , 随着热 通量的 增加 , 壁面 附近容 易形成 气 泡的密集 , 对过冷流动沸腾中的传热特性有重要影响。 关键词 : 双流体模型 ; 过冷流动沸腾 ; 气泡直径 ; 表面传热系数 中图分类号 : T K 124 文献标识码 : A 文 章编号 : 0438- 1157 ( 2010) 03- 0580- 07