竖直通道内降膜流动数值模拟研究
竖直圆管内非等温圆球沉降行为的直接数值模拟研究
竖直圆管内非等温圆球沉降行为的直接数值模拟研究竖直圆管内非等温圆球沉降行为的直接数值模拟研究一、引言在工程和科学研究中，我们经常会遇到一些涉及流体动力学的问题。
其中一个典型的问题是在竖直圆管中观察和研究非等温圆球的沉降行为。
这个问题的研究对于我们理解流体力学、热传递和动力学等领域的基本原理非常重要。
为了更深入地探究这个问题，本文将使用直接数值模拟的方法进行研究。
二、问题描述考虑一个竖直圆管内，内径为D，长度为L的系统。
在该系统中，有一个非等温的圆球，直径为d，其底部和顶部分别为温度为T1和T2的热源。
我们的目标是研究圆球在管道中的沉降行为，并分析温度和速度对其行为的影响。
三、理论模型1. 动量方程我们首先根据牛顿第二定律，可以得到圆球的运动方程。
根据该方程，圆球所受到的重力和流体的阻力将决定其运动状态。
由于管道内的流体为牛顿流体，我们可以使用Navier-Stokes方程描述其流动。
2. 能量方程为了考虑温度对沉降行为的影响，我们还需要引入能量方程。
该方程描述了热量的传递和流动。
3. 边界条件在研究过程中，我们需要指定一些边界条件，例如管道内的初始温度分布、圆球的初始位置和初始速度等。
这些边界条件将直接影响到最终结果的准确性。
四、数值模拟方法在本次研究中，我们将采用有限体积法进行数值模拟。
这种方法将管道划分为一系列单元，并在每个单元中求解动量方程和能量方程。
我们还将采用隐式格式来保证计算的稳定性和准确性。
五、数值模拟结果分析通过进行数值模拟，我们得到了圆球的沉降行为，并对不同温度和速度条件下的结果进行了分析。
1. 温度影响的分析我们首先研究了圆球沉降过程中温度的变化情况。
根据我们的数值模拟结果，我们观察到圆球的温度在下降过程中逐渐趋于稳定。
这是因为圆球与流体之间的热传递导致了温度的均衡。
2. 速度影响的分析接下来，我们研究了圆球沉降过程中速度的变化情况。
根据数值模拟结果，我们发现速度与圆球的直径和管道内的流体性质有关。
竖直窄通道充分发展段液固流动特性的数值模拟
竖直窄通道充分发展段液固流动特性的数值模拟胡仁涛;任立波;王德武;刘燕;张少峰【摘要】采用欧拉-欧拉双流体模型,基于水-玻璃珠体系,对长×宽×高尺寸为240 mm×12 mm×1800 mm的竖直窄通道充分发展段内液固两相流动特性进行了数值模拟.结果表明,沿窄通道竖直方向0.7 m以上液固两相流动进入充分发展阶段,在充分发展阶段的窄通道截面上,狭长方向与狭窄方向各位置颗粒速度及浓度均呈中心区域高、贴近边壁区域低的分布趋势;随着入口液速提高,截面各位置颗粒速度均提高,而颗粒浓度在流道中心区域降低,在贴近壁面区域升高;随着初始固相体积分数增加,截面各位置颗粒浓度均提高,而颗粒速度在流道中心区域略有降低,在贴近壁面区域略有升高;在窄通道截面狭长方向两端靠近三边壁影响的区域存在颗粒增浓效应,在截面狭窄方向颗粒速度和浓度分布梯度较大的区域无量纲占比随着入口液速的提高而提高,随着初始固相体积分数的提高而减小.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2018(069)008【总页数】10页(P3408-3417)【关键词】窄通道;充分发展段;两相流;流动;计算流体力学【作者】胡仁涛;任立波;王德武;刘燕;张少峰【作者单位】河北工业大学化工学院,天津 300130;上海板换机械设备有限公司,上海 201508;河北工业大学化工学院,天津 300130;河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津 300130【正文语种】中文【中图分类】TQ022.1引言板式换热器作为一种换热设备，因其具有传热效率高、占用空间小、结构紧凑等优点，而被广泛应用于化工、制药、食品加工等行业中[1-2]。
为了进一步提高换热效率，研究者[3-6]多从增大换热面积角度，对板面不同结构形式进行了研究，同时，针对板式换热器流道结构狭窄的特点，也有部分研究者[7-8]研究了流道内流体流动的阻力损失，结果表明，相近操作条件下，窄通道阻力损失较常规大通道高。
降膜流动行为的数值模拟研究
降膜流动行为的数值模拟研究于意奇;杨燕华;程旭;顾汉洋【摘要】Both 2 and 3 dimensional numerical simulations on falling film behaviour were carried out. The thickness and velocity of water film were studied under different Reynolds numbers. The results agree well with experimental and theoretical data. The simulation results show that the surface wave on falling film can only be reproduced by three-dimensional simulations. The results reveal the influence of the surface wave on film velocity and wall shear stress.%本文对降膜的流动行为进行了二维和三维的数值模拟.分析了不同雷诺数下降膜的液膜厚度、液膜速度、壁面剪应力.模拟结果与实验值以及理论模型的推导值进行了比较,吻合程度良好.模拟研究表明:三维模拟可再现降膜的表面波动,而二维模拟无法预测这种波动.三维数值模拟得到的瞬态结果也显示了表面波动对液膜速度和壁面剪应力的影响.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2012(046)010【总页数】5页(P1207-1211)【关键词】降膜;液膜厚度;波动【作者】于意奇;杨燕华;程旭;顾汉洋【作者单位】上海交通大学核科学与工程学院,上海200240;上海交通大学核科学与工程学院,上海200240;上海交通大学核科学与工程学院,上海200240;上海交通大学核科学与工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TK124液膜流动有着流量小、换热效率高等独特的优点，在工业领域有着广泛的应用。
竖直管内R113降膜流动数值模拟
2016年 1 0 月 2 4 日收到
国家重点研发计划( 2016YFB0601404)、
膜流动及其装置技术的研究。 降膜特性和液侧传热一直是降膜蒸发设计的重
要课题。李洪涛[3]基 于 C F D 方法试验研究自由下 降 液 膜 厚 度 无 接 触 测 量 和 液 膜 破 断 特 性 。 Liu 等 [4’5]通过试验研究了降膜相界面的稳定性和界面 波动规律。Seban等 [6]研究表面波对输运特性影响 机 制 。Sekiue等 [7]观 测 了 液 膜 流 动 特 性 。 Griinig 等 [8]可视化测量研究了 wetted-wire packing降膜流
第 17卷 第 18期 2017年 6 月 1671 — 1815(2017)18-0063-06
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 17 No. 18 Jun. 2017 © 2017 Sci. Tech. Engrg.
能源与动力工程
竖直管 内 R113降膜流动数值模拟
王为术1 王 涛 1 彭 岩 2 上官闪闪1 时小宝2 赵冰超1
( 华北水利水电大学热能工程研究中心1 ,郑 州 4 5 0 0 4 5 ;中信重工机械股份有限公司2 ,洛 阳 471003)
竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究
Ｗ ＥＩＳ ｅ ｇ ｊ ＯＮＧ ｉｎ ，ＨＵ ｏ ，ＹＡＮＧ ｎ ｈ ａ ｈ ｎ —ｉ ，Ｓ ｅ Ｊａ Ｐ Ｙａ — ｕ
（ ． ｃ ｏ ｌ ｆ Ｎ ｕ ｌａ ｃｅ ｃ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉｇ，Ｓｈ ｎ ｈ ｉ ｉ ｏＴｏ ｇ Ｕｎ ｖ ｒｉ １ Ｓ ｈ ｏ ｃｅ ｒＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｏ ａ ｇ ａ ａ ｎ ｉｅ ｓｔ Ｊ ｙ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ２ ０，Ｃｈｎ ｈ ｎ ｈ ｉ２ ０ ４ ｉ ａ；
第４ 卷第６ ６ 期
２１ 年６ ０２ 月
原
ห้องสมุดไป่ตู้
子
能
科
学
技
术
Ｖｏ． １ ４６。 ｏ ６ Ｎ ．
Ａｔ ｍ ｉ ｏ ｃ Ｅｎｅ ｇ ｉｎｃ ｎｄ Ｔｅ ｈｎｏ ｏ ｙ ｒ ｙ Ｓｃｅ ｅ ａ ｃ ｌｇ
ｊ ｎ ２ １ ｕ ． ０２
竖壁 冷态 降液 膜流 动统 计 特性 实验 研 究
２ Ｄ ｐ ｒ ｎ ｃ ａ ｎ ｒ ｙ Ｓ ｉｎ ｅ ｎ ｎ ｉｅｒｎ Ｎａ ａ ｉｅ ｓ ｙ ｏ ｎ ｉｅ ｒ ｇ， ． ｅ ａ ｔ ｔ ｆ Ｎｕ ｌ ｒ ｅｇ ｃ ｃ ｄ Ｅ ｇ ｎｅ ｉ ｇ， ｖ ｌ ｖ ｒｉ ｆ Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｍｅ ｏ ｅ Ｅ ｅ ａ Ｕｎ ｔ ｎ
ｃ ｌｆａ ａ ｅ ｗｅ ｅ ｉ ｖｅ ｔｇａ ｅ ． Ｔｈｅ ｔ ｃ ａ ｌ ｔｐｌｔ ｒ ｎ ｓ ｉ ｔ ｄ ｈｉｋｎｅ ｓ ｏ ｉ ｕｉ ｉ ｗａ ａ ｕ ｅ ｙ ｕｓｎｇ ｔ ｓ ｆｌｑ ｄ ｆｌ ｍ ｓ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｂ ｉ ｈｅ ｃ ｐ ｃｔ ｎｃ ｏ ． Ｔｈｅ ｅ ｆ ｃ ｓ ｏ ｈｅ ｆｌ ｆｏ ｒ ｔ ｎ ｈｅ ｓ ｌｄ ｓ ｒ ａ ｅ ｏｎ ｔ ｈｉｋ— ａ ａ ｉａ ｅ ｐｒ ｂｅ ｆｅ ｔ ｆ ｔ ｉｍ ｌ ｗ ａ ｅ ａ ｄ ｔ ｏ ｉ ｕ ｆ ｃ ｈｅ ｔ ｃ
竖直通道内下降液膜蒸发换热的数值研究
竖直通道内下降液膜蒸发换热的数值研究王仙茅;常华健;杨林;赵瑞昌【摘要】Falling film evaporation plays a key role in the heat removal process of the containment of the CAP1400 .In order to estimate the heat removal capability of the containment ,it is important to calculate the evaporation rate accurately .In the paper , two different evaporation models were built to simulate film evaporation in a vertical channel based on ANSYS FLUENT code .The prediction results by two evaporation models and experimental data were compared .The results show that both models can predict the evaporation heat transfer coefficient accurately .The results calculated by the model 1 are more reliable with finer mesh .The model 2 can be used with coarser mesh near the wall .However ,the model depends greatly on the calculation of the convective heat transfer coefficient .%下降液膜蒸发换热是C A P1400型反应堆非能动安全壳采用的重要换热机理，准确计算下降液膜蒸发换热量对非能动安全壳换热性能的评价有至关重要的影响。
竖直通道内烟气驱动空气自然对流换热数值模拟
Numerical Simulation of Air Natural Convection Heat Transfer Driven by Flue Gas in Vertical Channel Ren Jiayou Wang Ziyun Gao Yuan Fu Zhao Qi Runsheng Wu Yuling
0 引言
随着我国节能减排步伐的加快，工业余热的利 用显得尤为重要。目前，我国正处于工业化中后期， 工业能耗约占社会能耗的 70%[1]，其中烟气余热占 工业余热资源总量的 50%以上，广泛分布于各个工 业行业，烟气余热利用潜力大[2]。
将烟气作为自然对流换热过程的驱动热源，为 排烟气的建筑或者临近区域建筑提供自然通风，将
会提高能源利用效率，降低烟气对环境的热污染。 同时，能为建筑提供无风机能耗的新风及热量，营 造良好的室内环境。一般情况下，烟气排放都是在 竖直方向排放的，因此考虑在竖直矩形排烟通道外 侧套一个竖直矩形空气通道，以烟气余热为热源， 驱动空气自然对流。国内外有大量学者对侧壁加热 竖直通道的空气自然对流及其传热过程进行试验 或数值模拟研究。D Roeleveld[3]利用可视化技术和
第 33 卷第 1 期 第 3220卷19第年52期月
制冷与空调 万葛R亮ef，rig等er：ati空on气an源d 热Ai泵r C外on机di低tio频nin噪g声源识别及优化
文章编号：1671-6612（2019）01-001-5Vol.33 No.1 源自eb. 2019.001～·0015·
竖直通道内烟气驱动空气自然对流换热数值模拟
(College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu, 610065) 【Abstract】 Numerical simulation and dimensionless analysis are used for study flow and heat transfer of natural convection heat transfer which driven by flue gas in an equipment. The study results indicate that: (1) heat transfer boundary layer of flue gas channel decrease with Rayleigh number of air channel, heat transfer boundary layer of air channel left side increase with Ra; (2) heat transfer rate increase with average temperature of flue gas channel inlet, and increase with average flow rate of flue gas channel inlet remarkably; (3) when the dimensionless average flow rate of flue gas channel inlet is 0.93, as temperature of flue gas inlet is increased, backflow region of flue gas is appear, then width of back flow region become bigger gradually, which has increasing resistance effects on heat transfer. As results, increasing average flow rate of flue gas inlet can reduce width of back flow region, and reinforce natural convection heat transfer effects. 【Keywords】 flue gas; natural convection heat transfer; residual heat; dimensionless analysis
通道宽度对单颗粒沉降运动影响的直接数值模拟
体 中通 过 积 分 黏 性 应 力和 压 力 获 得 颗 粒 的 受 力跟 踪 颗 粒运 动 ，使 用有 限元 方 法数 值 求 解 流 场 的 Ⅳ ｓ方 程 ，模 型 不 需 经 验 假 一
Ａ ｂｓｒ ｃ ：Ｔ ｅＡｒ ｉ ａｙ Ｌ ｇａ ｇａ — ｕｅｉｎ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｉ ｕ ｅ ｎ ｔｅ ｄｒｃ ｕ ｒｃ ｌｓｍｕａｉｎ ｏ ｅ ｔ ａ ｔ ｈ ｂｔ ｒ ａ ｒｎ ｉｎ Ｅ ｌｒ ｅ ｈ ｉｕ Ｓ ｓ ｄ ｉ ｈ ｉ ｔｎ ｍｅ ａ ｉ ｌｔ ｆｔ ｒ ａ ｅ ｉ ｏ ｈ
关 键词 ：任 意拉 格 朗 日 欧拉 （ Ｌ ） 一 Ａ Ｅ ；固液 两相 流 ；直接 数 值 模 拟 ；沉 降 中 图分 类号 ：ｏ ３９ ５ 文 献标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ — ９２ ２ ０ ）８ ０ ０ — ４ ０ ２ ４ ７ （ ０ ８０ — ０ ６ ０
Ｄｉｅ ｔｎ ｍ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ０ ｈｅ ｉ ｆｕｅ ｅ ｂ ｈａ ｒ ｃ ｕ ｒ ｃ ｌｓｍ Ｉ ｔ０ ｆｔ ｎ ｌ ｎｃ ｙ ｃ ｎｎｅ ｄｔ ｎ ｌｗｉ ｈ ｉ
维普资讯
２０ ０ ８年 ８月
水运 工程
Ｐｏｔ ＆ Ｗ ａｔｒ ｙ ｒ ｅ ｗａ Ｅｎ ｉ ｅ ｎｇ ｇｎｅ ｒ ｉ
Ａｕｇ ．２０ ０８ Ｎｏ Ｓｅ ａ ． ８ ．８ ｉ ｒｌ Ｎｏ ４１
第８ 期
总第 ４ ８ １ 期
＿ 通对忠 影 道安沉 响 宽康刘 的 度常运 直模 单， 接降 颗汉 ，涛 数术 粒 建 值动 拟
气液并流垂直液膜流动的数值模拟_许松林
张力和壁面黏附作用产生的源项．
1) 气-液界面剪切力和表面张力
为了简化模型，多数研究者专注于具有光滑相界
面的稳定的液膜流动，并忽略气相剪切力的影响，本
文的模型同时考虑了气相剪切力和表面张力的影响
以及液膜界面的分子黏度，液膜表面的切向和法向力
平衡方程为
2014 年 12 月
许松林等：气液并流垂直液膜流动的数值模拟
·1041·
⎧⎪eijnjti = 0 ⎨⎪⎩− p + 2μeijnjti
=
σ( 1 R1
+
1 R2
)
(5)
式中：eij 为应变率张量；nj 为自由界面的单位法向量；
ti 为自由界面的单位切向量；p 为压力；μ 为流体黏 度；R1 和 R 2 为界面的半径曲率；σ 为表面张力. 曲率 项由 Fluent 根据每个单元格的体积分布梯度计算．
究[1-5]表明，液膜中的动量、热量和质量传递受液膜的 特性影响很大，尤其是气-液界面的波动，液膜表面小 振幅的波有利于液膜的传热和传质．虽然经历了近 半个世纪的研究，尚未获得可普遍接受的关于界面波 在气-液及液-固边界对液膜中动量、热量和质量传递 影响的机理．但是波动液膜的传热和传质受到波动
收稿日期：2013-12-15；修回日期：2014-01-16. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(20976118，21176170). 作者简介：许松林（1966— ），男，博士，副研究员. 通讯作者：许松林，slxu@. 网络出版时间：2014-03-24. 网络出版地址：/kcms/doi/10.11784/tdxbz201312038.html.
竖直管内降液膜流动在工业过程设备中经常遇 到，如制冷设备、降膜蒸发器、塔顶冷凝器和湿壁吸 收器等，其中往往同时发生传热和传质现象．在工业 使用范围内竖直管内的降液膜形成时，并流或逆流的 气相会对液膜的表面产生剪切力，导致液膜表面形成 振 幅 不 一 的 波 ．近 年 来 的 大 量 理 论 和 实 验 测 试 研
竖直管降膜流动的CFD分析
第46卷第3期2018年2月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.46No.3Feb.2018竖直管降膜流动的CFD 分析*温 冬,李永胜,樊森清,肖泽仪(四川大学化学工程学院,四川 成都 610065)摘 要:建立了竖直管降膜流动的二维模型,采用RNG κ-ε湍流模型㊁VOF 模型,对管内的降膜流动进行了CFD 研究,得到了稳定前后的液膜㊁速度分布㊂研究发现,沿管长方向的流动稳定后,依次分为平稳区㊁小幅波动区㊁大幅震荡区,在给定流速下平稳区㊁波动区膜厚为0.63mm㊁0.23~1.5mm㊂在平稳区不同位置处液膜流速在膜厚方向变化一致,沿管长有增大趋势,最大速度在膜内,流动稳定后分布变化不大㊂最后将模拟得到的膜厚与学者数据进行了对比,结果可靠㊂关键词:降膜流动;液膜厚度;液膜速度;数值模拟 中图分类号:TQ914.1 文献标志码:A 文章编号:1001-9677(2018)03-0065-04*基金项目:2013年国家科技支撑项目计划(编号:2013BAC12B01);四川大学德阳校市科技合作专项资金(编号:HZYF201513)㊂第一作者:温冬(1993-),男,研究生,研究方向为过滤与分离㊂通讯作者:肖泽仪,教授㊂Study on Falling Film Flow of Vertical Tube Falling Film Based on CFD *WEN Dong ,LI Yong -sheng ,FAN Sen -qing ,XIAO Ze -yi(School of Chemical Engineering,Sichuan University,Sichuan Chengdu 610065,China)Abstract :A two-dimensional model was established for studying the flow characteristic of vertical tube’s falling film.Fluent was used to simulate the flow film with RNG κ-εmodel and VOF model,the film thickness and the film velocity were analyzed.There were different characteristics in the film distribution considering different distances from entrance as well as time.Three kinds of flow patterns were founded after the steady flow,which were the smooth flow,the slight wave flow and the shock flow.The distribution of liquid film velocity had maximal value in the film,and there was a tendency to increase in the flow process.The film thickness at different Reynolds number was compared with other researchers’correlation formula,and the result was reliable.Key words :falling film flow;liquid film thickness;liquid film velocity;numerical simulation竖管内降膜流动在工业过程设备中应用广泛,常见的如降膜蒸发器㊁制冷设备㊁湿壁吸收器等,在这些设备中往往伴随传热传质现象㊂在降膜流动中,液膜特性对液膜的动量㊁热量和质量传递影响很大,液膜表面的波动有利于液膜的传热传质㊂目前关于降膜流动的研究主要是通过实验测试和结合CFD (Computational Fluid Dynamics)技术的数值模拟进行的㊂降膜流动的理论研究始于Nusselt [1],该学者得到了在低雷诺数下膜厚与雷诺数的关系,但膜厚预测偏低㊂Wike 公式[2]将液膜流动分为层流和湍流,采用不同公式计算平均膜厚㊂韦胜杰等[3]对平板降液膜进行了实验研究,通过测定液膜厚度,得到雷诺数对液膜厚度的影响规律,该学者认为液膜厚度达到临界膜厚后,流量增加膜厚几乎不变㊂余黎明[4]采用激光多普勒测量了降膜流动的液相速度及瞬时速度波动得到降膜流动特性㊂在关于液膜表面波动方面,叶学民[5]㊁钱焕群[6]均对下降液膜做了理论分析,研究结果表明液膜表面切应力是影响液膜稳定性方面的重要因素之一㊂随着信息技术的发展,有些学者基于有限体积的方法对降膜流动进行了数值模拟:其中于意奇[7]通过三维数值模拟得到的瞬态结果显示了液膜表面波动对液膜速度和壁面剪切了的影响;王为术[8]通过对竖管内氟利昂的降膜流动进行二维模拟得到膜厚分布特征及速度变化规律;李铁[9]应用多相流模型对冷却管内气液流动进行了数值模拟,对管内液膜的速度分布㊁管内动压力分布进行了分析;赵婵[10]对竖管二维降膜流动进行了数值模拟,结果发现液膜形成过程可分为不同区域㊂基于有限体积法的数值模拟可以提供实验不易观察到的详细的液膜流体力学特征,本文对建立的简化二维降膜流动模型通过Fluent 软件进行数值模拟,对液体降膜流动过程中的膜厚㊁膜速等基础方面做重点研究,研究结果可为管式降膜蒸发器设备的设计提供参考,对设备实际操作有指导意义㊂1 模型与求解方法1.1 物理模型为简化模型,考虑液膜沿轴向对称分布,以二维对称模型加以分析㊂如图1所示,以轴向为X 轴,以负径向为Y 轴,液体经布膜装置后流入竖管中,在重力的作用下以一定的速度呈膜状向下流动,流动过程中受自重㊁壁面剪切力㊁气液剪切力共同作用,其余空间则是气体㊂其中圆管尺寸Φ20mm,L =66 广 州 化 工2018年2月0.8m,液膜入口宽度为1mm㊂本文以水和空气为介质进行模拟,液体雷诺数由式(1)确定㊂Re =4Γ/μ(1)式中:Γ 单位长度质量流量,kg㊃m㊃s -1μ 流体粘度,Pa㊃s图1 竖管内降膜流动模型Fig.1 The model of film flow in vertical tube1.2 控制方程竖管内气液两相降膜流动属于气液两相分层流动,为准确描述气液界面流动采用流体体积函数VOF(Volume of Fluid)模型,从而引入气体和液体体积分数,在每一个控制体积中,两相的体积和是固定的;圆管内部降液膜流动为近壁流,气液表面由于产生湍动而采用RNG κ-ε湍流模型㊂关于本文多相流模型的控制方程如下:连续性方程:əρət+Ñ㊃(ρv)=0(2)动量方程:əρət+Ñ㊃(ρvυ)=Ñ㊃μ(Ñv +Ñv T [])-Ñρ++ρg+F (3)湍流方程:κ方程:ρdk dt =əəx i(αk μ)ək əx []i +G k+G b -ρε-Y M (4)ε方程:ρdεdt =əəx i (αεμ)əεəx []i +C 1εεk (G k +C 3εG b )-C 2ερε2k-R (5)上述方程中的参数取决于相的体积分布,在本文气液两相模型中,用G 和L 分别表示气相和液相,每个单元格中密度和粘度用下列式子表示:ρ=αL ρL +αG ρG (6)μ=αL μL +αG μG (7)其中每个单元格中液相体积分数αL 与气相体积分数αG 的和为1,因此:əαLət+v㊃ÑαL =0(8)1.3 网格与求解方法本文用结构化网格划分模型,为保证近壁处计算精度和气液界面的准确捕捉,在近壁处和气液界面进行径向网格加密,而轴向均匀分布,网格数量22800,网格无关性检验参考文献[10]㊂求解计算采用Fluent 15.0软件进行非稳态计算,采用二维对称模型,沿X 轴正向加入重力加速度,大小为9.81m㊃s -2,激活VOF 和RNG κ-ε模型,气液两相分别设置速度进口类型,出口采用压力出口类型,时间步长设置为10e-4s,压力求解策略采用PRESTO,动量方程用Quick,体积分数用Geo -reconstruct,收敛精度设置为10e-5㊂2 结果与讨论2.1 降膜流动过程的液膜分布图2 液膜流动过程Fig.2 The process of liquid film flow图2表示在入口液体流速v =0.5m㊃s -1,气体流速为0,不同时刻液体在竖管内部的降膜流动过程,以体积分数为0.5作为气液两相界面分界位置,其中蓝色表示气体,红色表示液体㊂由图2可知,在t =0s,竖管内充满气体,液体即将经入口进入管内;在t =0.1s 时,液体沿竖管内壁向下流动,液体在壁面形成一定厚度的液膜,此时液膜流动前端产生 托举”现象,刘升等[11]的研究也出现这一现象,这是由于重力㊁剪切力等综合作用的结果;在t =0.5s 时,通过软件处理知液膜流动至距入口0.3m 处,此时液膜处于较平稳状态;在t =1.3s 时,液膜已流出竖管,此时对于液膜在整个竖管内壁的呈现不同分布,竖管上段液膜平滑分布,竖管中下段出现小幅不均匀分布,竖管下段出现明显的波动㊂待液膜流动一段时间稳定后,取t =3.0s 时的液膜做分析㊂如图3所示,整个竖管内液膜分布中取较典型的距液膜入口处x =0.2m㊁x =0.4m㊁x =0.7m 三个位置,根据三个位置附近处的液膜分布从上到下依次分为平滑区㊁小幅波动区㊁大幅震荡区,对比文献[12]模拟结果一致,说明液膜流动过程中存在波动㊂图3 t =3.0s 时的液膜分布Fig.3 The distribution of liquid film when t =3.0s波动液膜的厚度是描述竖管降液膜的特征和传热特征的重要性质,因此准确测定降液膜随流动方向的变化和随时间变化的分布非常重要㊂为更好地分析液体在流动过程分布变化,取液体流动稳定前t =1.8s 和稳定后t =3.0s 时的数据分析,将圆管分为等长两个部分以显示在稳定前后竖管内的液膜分布㊂从图4㊁图5第46卷第3期温冬,等:竖直管降膜流动的CFD 分析67 可知,液膜在竖管内管长方向的厚度都呈现不同变化趋势,但稳定前后的液膜分布有不同㊂稳定前后的液膜分布在入口区基本一致,在管中段以后流动稳定前后的液膜分布在t =1.8s 时较t =3.0s 时波动更为明显㊂图5为稳定后的膜厚分布情况,0~0.37m 为平稳流动区,0.37~0.55m 为小幅波动区,0.55m 至出口为较大幅震荡区㊂其中,液体以膜状进入竖管,在较短距离内膜厚从1mm 快速减小至0.63mm,之后分布平滑,在0.37m 后开始出现小幅波动,小幅波动到0.47m 附近开始转变为有较大振幅的震荡波动,震荡振幅由小变大,波动表现为类似单波形式,波动过程中液膜厚度最大处可达1.5mm,最小处仅0.23mm㊂总体上,液膜在管长方向厚度分布呈平滑㊁波动状态,这是降膜流动中存在表面张力所致㊂图4 t =1.8s 的液膜分布Fig.4 Liquid film distribution in the whole tube when t =1.8s图5 t =3.0s 的液膜分布Fig.5 Liquid film distribution in the whole tube when t =3.0s图6 随时间变化的液膜厚度Fig.6 Liquid film thickness with time为进一步分析液膜在管内壁的随时间变化的情况,分别选取平稳区㊁小幅波动区㊁大幅震荡区三段中的典型位置,选取位置为x =0.2m㊁x =0.4m㊁x =0.7m㊂由图6可知,在不同位置处的液膜厚度有不同的变化规律㊂其中x =0.2m 处,随时间保持不变,厚度稳定在0.63mm,在x =0.4m 处,膜厚则依次呈现较稳定㊁小幅波动变化,在x =0.7m 处,膜厚则呈现小幅波动㊁大幅震荡变化㊂随着时间变化,各位置处的变化表明在降膜流动中,在平稳区分布基本不变,在小幅波动区分布则呈现较稳定到小幅波动变化,而在大幅震荡区流体刚流过一段时间内即呈现较大波动㊂2.2 液膜轴向速度分析很多学者为了测量液膜中的速度变化,应用了多种方法,其中包括超显微镜法㊁立体照相法㊁激光多普勒技术法等,本文通过数值模拟得到竖管不同位置处液膜内的速度分布㊂如图7㊁图8所示,选取在x =0.1m㊁x =0.2m㊁x =0.3m 三个处于平稳区位置,分析液膜流动方向速度变化趋势㊂(1)液膜最大流速在不同位置都大于初始入口流速,说明液膜在竖直管内流动过程中有一定加速,这是因为竖直管降液膜流动在重力㊁壁面粘滞力㊁表面张力等综合作用下,在流动方向距入口越远处液膜最大速度较大;(2)液膜稳定前后不同位置处的液膜速度在膜厚方向(即竖直管内壁至管中心距离)变化趋势一致,都出现类似半抛物线分布,在膜厚0.6mm 内速度增加由快变缓,在0.6mm 附近出现最大值,速度最大值并未出现如Nusselt 平滑降膜模型预测的在液膜表面处,这是由于液膜流动过程中气体对液膜有曳力作用,使得液膜表面流速小于液膜内部流速;(3)对比稳定前后的不同时间的液膜速度可知,稳定后的速度在膜底层膜厚增长方向增加较快㊂图7 t =1.8s 时液膜x 方向速度分布Fig.7 X-Velocity distribution within the liquid film when t =1.8s图8 t =3.0s 时液膜x 方向速度分布Fig.8 X-Velocity distribution within the liquid film when t =3.0s68 广 州 化 工2018年2月2.3 模拟结果比较为验证模拟结果的可靠性,将模拟数据与其他学者的数据进行了对比㊂通过与文献[1,13-14]对比,对比结果如图9所示,表明本文数据与文献[13-14]吻合良好,但随着雷诺数增大,文献[1]的理论预测值偏小,这是因为Nusselt 考虑的是层流下的液膜流动,对于过渡流及湍流下的液膜流动并不能准确预测,其中文献[13-14]是通过大量实验拟合得到液膜与雷诺数的关联式㊂通过对比,证明了本文模型和模拟计算方法是可靠的㊂图9 理论值与模拟值的比较Fig.9 Comparison between theoretical results and numerical result3 结 论基于CFD 对竖管降膜流动进行了模拟,对液体在管内的流动过程稳定前后的液膜厚度分布㊁液膜内部速度分布特性进行了分析㊂从竖管式降膜流动分析的结果得出如下结论:(1)液膜在竖直管内完全形成后,膜厚分别呈现分布均匀㊁小幅度波动㊁大幅震荡,液膜在震荡区厚度化变较大,同时在小幅波动区和大幅震荡区的液膜分布随时间与空间变化;(2)由液膜流动方向速度知,速度变化趋势一致,在流动方向上受重力为主作用下有一定加速,最大速度出现在液膜内部;(3)通过分析液膜流动过程的膜厚分布及速度分布,在实验较难测定液膜相关数据的情况下是一种对液膜流动分布分析的有效方法,利于进行降膜流动传热传质的后续研究㊂参考文献[1] Nusselt W.Die oberfla chenk odensation des wasserdamqfes [J ].Zeitschrift Verein Deutscher Ingenieure,1916,60:541-546,569-575.[2] Dukler A E.Fluid mechanics and heat transfer in vertical falling filmsystems[M].AlChe Symp Ser,1960.[3] 韦胜杰,宋建,胡珀,等.竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究[J].原子能科学与技术,2012,46(6):674-678.[4] 余黎明,曾爱武,余国琮.气液降膜流动中液相速度波动及其传质研究[J].高校化学工程学报,2006,20(5):696-701.[5] 叶学民,张润盘,王松岭.液膜表面波在切应力作用下的线性稳定性[J].华北电力大学学报,2007,34(5):53-57.[6] 钱焕群,孙贺东,刘磊,等.自由下降液膜流动的长波方程的稳定性分析[J].西安交通大学学报,2002,36(11):1121-1124.[7] 于意奇,杨燕华,程旭,等.降膜流动行为的数值模拟研究[J].原子能科学与技术,2012,46(10)1207-1211.[8] 王为术,王涛,彭岩,等.竖直管内R113降膜流动数值模拟[J].科学与技术工程,2017,17(18):63-68.[9] 李铁,宋济洋,吕昌尧,等.冷却管内气液界面流动特性的数值模拟研究[J].东北电力大学学报,2017,37(1):87-94.[10]赵婵.竖直管内气液逆流降膜的计算流体力学模拟[J].计算机与应用化学,2014,31(6):745-750.[11]刘升,郝英立.竖直管内降膜流动气液两相运动竖直模拟[J].热科学与技术,2008(3),7(1):5-10.[12]Zhang J T,Wang B X,Peng X F.Falling liquid film thicknessmeasurement by an optical -electric method[J].Review of Scientific Instruments,2000,71(4):1883-1886.[13]阎维平,李洪涛,叶学民,等.垂直自由下降液膜厚度的瞬时无接触测量研究[J].热能与动力工程,2007,22(4):380-385.[14]Jiang Zhangyan,Ye Weiping.Experimental studies on surface wavecharacteristics of free -failing liquid films //Pro 4th Int Sym on Heat Transfer[C].High Education Press,1996:200-205.(上接第33页)[10]Albov D V,Turubanova E I,Rybakov V B,et al.N -(4-Bromophenacyl)-4,6-dimethyl -2-oxo -1,2-dihydropyridine -2-carbonitrile[J].Acta Cryst.,2004,E60:o1222-o1223.[11]Rybakov V B,Bush A A,Babaev E V,et al.3-Cyano-4,6-dimethyl-2-pyridone(Guareschi pyridone)[J].Acta Cryst.,2004,E60:o160-o161.[12]Cetina M,Tranfic′M,Sviben I,et al.Synthesis,X -ray andspectroscopic analysis of some pyridine derivatives [J ].J.Mol.Strcuct.,2010,969:25-32.[13]Alberola A,Calvo L A,Qrtega A G,et al.Regioselective Synthesis of2(1H )-Pyridinones from β-Aminoenones and Malononitrile ReactionMechanism[J].Chem.,1999,64:9493-9498.[14]Gorobets N Y,Sedash Y V,Shishkina S V,et al.Structure of theintermediate in the synthesis of 6-methyl-2-oxo-1,2-dihydropyridine-3-carbonitrile[J].Arkivoc,2009(xiii):23-30.[15]Al-Awadi N A,Abdelkhalik M M,El-Dusouqui O M E,et al.Gas-Phase Pyrolysis in Organic Synthesis:A Route for Synthesis of Cyanamides[J].J.Heterocyclic Chem.,2010,47:207-209.[16]Rong L C,Han H X,Jiang H,et al.One-Pot Synthesis of 4,6-Diaryl-2-oxo-1,2-dihydropyridine -3-carbonitriles via Three -Component Cyclocondensation under Solvent -Free Conditions [J ]mun.,2008,38:217-224.。
竖壁液膜温度分布数值模拟和红外抑制效果
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｐ ｕｒ ｐ ｏ ｓ ｅ ｏ ｆ ｗａ ｒ ｓ ｈ ｉ ｐ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｓ ｔ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ，ａ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ａ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｓ ｕ ｂｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｆ ａ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ ｑ — ｕ ｉ ｄ ｉｌ ｆ ｍｓ ｆ ｌ ｏ ｗｉ ｎ ｇ ｏ ｖ ｅ ｒ ａ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｓ ｈｉ ｐ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｓ ｔ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ｗａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕｃ ｔ ｅ ｄ． Ｔｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｒ ｆ ｌ ｏ ｗ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｅ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｂｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｉ ｆ ｌ ｍｓ ｗｅ ｒ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ． Ａ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ ｔ ｗｏ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｗａ ｓ
Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ ｉｌ ｆ ｍ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｐ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｓ ｕ ｐ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ
ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｐ ｐ ｌ ｙ ｉ ｎ ｇ ｗ ａ ｙ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｋ ｉ ｌ ｌ ｓ ｆ ｏ ｒ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｏ ｕ ｔ ｏ ｎ ｅ － ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｖ ｏ ｌ ｕ ｍｅ ｏ ｆ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ ． Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｕ ｂ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｆ ａ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ
非能动安全壳竖直平板降膜流动特性数值模拟
关键 词 ：降膜 ； 三维 ； 波动 ； 数值模 拟 中图分类 号 ：Ｔ Ｋ２ ８ ４ ； Ｏ３ ５ ７ 文献标 识码 ： Ａ
膜 冷 却安全 壳 的情 况 ， 分 别 得 到在 不 同空 气 流 速 Ｕ 引 肓 情 况下 的水 膜蒸 发 传 质关 系式 。在 此 基 础 上 ， 韦 胜 杰［ ７ 对 Ｐ Ｃ Ｃ Ｓ水 膜流 动及冷 却能力 进 行 了实 验 研 究 。但是 对 于降膜 流动 的实验 测量 技术 十分 有 限， 对 于 降膜 内部 的 流场 信 息 局 限在 测 量 技 术 上 的限制 ， 因此数 值模 拟 计 算 可 以预 测 降 膜 过 程 中 的流动 与传 热过 程［ ¨引。刘 玉 峰等［ １ 。 ］ 开展 了高 雷
了三维 Ｃ Ｆ Ｄ模拟 ， 预 测 得 到 的水 膜 平 均 厚 度 和
液体降膜 受 到广泛应 用 ， 众 多 学 者 通 过 实
验［ ｉ － ｓ ］ 与数值模 拟研 究 降膜 流动特 性 ， 包 括 液膜 发
展过 程 、 液膜 波 动 以及 液 膜 厚 度 等。２ ０ ０ ０年 ，
Ｋａ ｎ ｇ和 Ｐ ａ ｒ ｋ Ｅ 胡对 西 屋 公 司 的 ＡＰ ６ ０ ０钢 制 安 全
用， 液膜 厚度 沿横 向分 布 均 匀 ， 沿 高 度 方 向平 均 液 膜 厚度 越 来 越 小 ， 并 且 受 进 口水 流 速 度 与 入 口宽 度 影 响 ， 水 流 量 一定 时增 加 进 口水 流 速 度 与入 口宽 度 ， 平均液膜厚度增大 ， 空 气 入 口流 速 对 水膜 厚度 影 响 相对 较 小 。
第ｌ ５卷第 ５ 期
２ ０ １ ６年 １ Ｏ 月 热 科 学 Nhomakorabea 技 术
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
溴化锂溶液垂直降膜过程中流动与传热的数值模拟
第 ２ 卷第 ２ ７ 期
薄 守 石等 ．澳化 溶液 垂直 降膜 过程 巾 流动 与 传 热 的数 值模 拟
溴化锂溶液垂直 虎 ，兰 忠 ， 陈宏 霞 ，李 璐 ， 白 涛
（ 大连 理 工 大学化 学工 程 研 究所 ， 辽 宁 大连 Ｉ６ ２ ） １０ ４
摘要 ：采 用 流体 体 积 （ Ｆ）法捕 捉 门ｎ 界而 ， 井应 用连 续 表而 力 （ Ｆ ＶＯ １ ＣＳ ）模 型 ． 建立 了 直 降膜 波 动模 型 ，研 究 Ｊ溴 化锂 溶 液 垂直 降 膜过 程 中 的波 动 过 程 ，根 据 波动 模 型 得到 的 界面 信 息 ，建立 丫 以 波速 为 动坐 标 系 的 州定 界面 传 ， 热 模型 ， 州 考 察 ’ 动 列传 热 的 影 响 ．并 建立 丫垂 直 降膜 波 动模 型和 定 界＿ 传 热模 型 。结 果 表 驯 ：一定 入 Ｉ频 厂波 血 ｊ 率 的扰 动 发 展 为孤 波 和 毛细 波 的 组合 波 ，孤 波波 峰 处 出现 了循ｊ 流 动 ，且 在 筇 ～ 个毛 细 波波 谷处 出现 流 。波动 强 ： ＝ ｆ ： 化 机理 尸 数 有关 ．尸 ， ，数较 大 时 ，对 流 起 主要 作 川 ，Ｐ ｒ数较 小 时 ，液 膜 减游 起 主 要作 『 ｆ 】
ｌ５ １
口处 引入 ，溶液在重 力作用 下沿着左壁 面流动 ，并在液膜 界面形成波 动 。利用 波动模 型得到 的界面信 息 ， 建立 了动坐标 系下 的波动传 热模 型，如 图 ２所 示。在动坐标 系 下界面是 固定的 ，而壁面 以波速 向上运动 。
竖直管降膜蒸发器冷膜成形及流动特性数值模拟
竖直管降膜蒸发器冷膜成形及流动特性数值模拟杨红;陈鑫;李鹏飞;杨颂;何垚【摘要】对单层布液盘和锥形插件组合作用下的多管管束的流动特性和成膜过程进行了CFD数值模拟.采用VOF多相流模型和RNG k-ε湍流模型,三维双精度求解,以空气和水作为工质,边界条件设置为速度入口和压力出口.通过管内液膜形成、出口截面液相分布、降膜管进出口流量变化等方面研究表明,带插件的布液器能很好的改善布膜的均匀性和稳定性.基于液相体积分数,计算分析了管内液膜平均厚度及平均流速,在流量达到一定值时,液膜厚度趋于定值1.28 mm左右,继续增大流量,流速会成比例增加,不利于连续液膜的稳定,也不利于介质在降膜管内的充分蒸发.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】5页(P451-454,472)【关键词】降膜蒸发器;布液装置;冷膜;流动特性;数值模拟【作者】杨红;陈鑫;李鹏飞;杨颂;何垚【作者单位】武汉工程大学机电工程学院,武汉 430205;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室(武汉工程大学),武汉 430205;武汉工程大学机电工程学院,武汉430205;武汉工程大学机电工程学院,武汉 430205;武汉工程大学机电工程学院,武汉 430205;深圳市纯水一号水处理科技有限公司,深圳 518105【正文语种】中文【中图分类】TK172.4降膜蒸发器有节能高效、物料滞留时间短、传热温差小等特点，非常适合热敏性物料的蒸发浓缩，在工业上应用广泛［1-4］。
布液装置是降膜蒸发器的核心部件，它与蒸发器的传热性能与操作稳定直接相关［5-6］。
在布液装置流体流动特性与管内流体成膜机理的研究中，计算流体力学（compu⁃tational fluid dynamics，CFD）数值模拟技术是一种有效的手段［7-8］。
马学虎等［9］运用数值模拟方法探寻了液膜随进口扰动频率、Re等要素变化而波动的演变过程。
竖壁降膜流动特性与稳定性的数值研究
图 １ 物理模 型及 边界条件
图 ２ 液膜结构特性 参数示意图
本 保持 恒定 ， 且波长规则 ， 出 现 了准 稳 态 的类 正 弦
波； 在 下游 ０ ． ４ ｍ到 ０ ． ７ ｍ位 置 处 ， 每 隔 ５～ ６个 波 形， 较 为规则 地 出现 波 长加 长 ， 振 幅增 大 的波 动 ； 在 下游 ０ ． ７～ ０ ． ９ ｍ处 ， 水 膜 表 面 波 动振 幅 继 续 增 大 ， 波动虽 然变 得不 规则 ， 同 时也 呈 现 出较 为 明显 的类
物理 模 型如 图 １所示 ， 温 度 为 的水 膜 以一 定 的初 始速 度 沿竖 直恒 温 （ ）固壁 向下 流 动 ， 水 膜
从图中可见 ， 降膜主要 由和固壁相连的表 面波基部
底层 （ 基 液膜 ） 及 其 上 的表面 波组成 。
外侧是温度为 ， 压力为大气压的静止空气 。计算
摘 要 ： 采 用流体体 积法 （ Ｖ Ｏ Ｆ ） 对 于 高雷诺数 竖壁 降膜 流场进 行 了数值 模拟 ， 分析 了液膜速 度分 布 、
平均讨论 了波动特性对于降膜传质
及 稳定性 的影响 。计算结 果表 明， 随着流 动 向下 游发展 ， 平均 液膜 厚度 先是迅 速 减 小， 然后 减 小速 度 趋缓 ； 波动振 幅和 波长随着流动 距 离的增加 持 续增 大 ， 这将 导 致 波动传 质能 力增 强 ， 同时也使得 基 液
膜 厚度不 断减 小， 液膜 的稳 定性 变差。采 用 Ｖ Ｏ Ｆ方 法的模 拟 结果 与 高速 摄 影 实验数 据符 合 良好 ， 说
明Ｖ Ｏ Ｆ方 法准确描述 了绝 大部 分液膜 流动特性 ， 在 总体上对 于竖壁 降膜 流场进 行 了准确的预测 。
竖直管内降膜流动气液两相运动数值模拟
关键 词 ：降膜 ； 流 ； 度 矢量 ； 湍 速 ＶＯＦ方 法； 托举
中图分类 号 ：Ｔ ２ Ｋ１ ４ 文献标 识码 ： Ａ
０ 引
言
高条 件下 ， 对竖 直 管 内液 膜 从形 成 到稳 定这 一 非
定常 强迫 降膜 流 动 的数 值模 拟 方 法 进行 了探 索 ，
对相 界面 的波 动 和两 相 中 的 速 度 分 布 和 压 力 分
Ｍ ｆ． ０ ８ ｉ ２ ０ ｒ
文章 编号 ：１７ —０ ７２ ０ ） １００ —６ ６ １８ ９ （０ ８ Ｏ—０ ５０
竖 直 管 内降膜 流 动气 液 两 相 运 动数 值 模 拟
刘 升 ， 郝 英 立
（东南大学 能源与环境学院 洁净煤 发电及燃烧技术教育部 重点 实验 室。江苏 南京 ２ ０ ９ １０ ６）
降膜 的流动 特征 和换 热机理 从实 验研究 和数值 计 算 两个方 面进行 了大 量卓 有成 效的研 究工作 。 Ｌｕ和 Ｇｏｌｂ１ 通 过 实 验 研 究 了相界 面 的 ｉ ｌ ［ ｕ
稳定 性和 相界 面波 动产 生 和变 化 规 律 ； ｅ ｉｅ和 Ｓ ｋｎ
ｌ 数 学模 型
出 口
图 ｌ 物理 模 型和边界 条件
Ｆｉ ． Ｐ ｙ ｉａ ｄ ｌ ｎ ｏ ｎ ａ ｙ Ｃ ｎ ｉ ｏ ｇ１ ｈ ｓｃ ｌ ｍｏ ｅ ｄ ｂ ｕ ｄ ｒ Ｏ ｄ ｔ ｎ ａ ｉ
收稿 日期 ：２ ０－９３ ： 修 回 日期 ：２ ０—２１． ０ ７０ —０ ０ ７１ —２ 基 金项 目 ：国 家 重 点 基 础研 究 发展 计 划 资 助 项 目（０ ４ Ｂ １ ７ ３ ． ２０Ｃ ２７０） 作 者 简 介 ：刘 升 （９ ２） １８ 一 ，男 ， 士 生 ， 要 从 事 多相 流 理 论 与 应 用 、 净煤 燃 烧 等 方 面 研 究 、 博 主 洁
垂直管内TFE／NMP降膜吸收热质传递数值模拟
Ｎｍｎ ｒ ｌ ｄ ｌ ｇ ｏ ｅ ｋａ Ｍｏ ｅｉ ｆＨｅ ｔａ ｄＭａｓ． ｎ ａ ｎ ｓ Ｉ ｈｍ娟 ｏ ａｌ ｇＨｈ ｆＦ ｌｎ ｉ ｎＡｌ ￣
ｉ ｎ ａＶｅ ｔ ａ ｒ ｉ ｌＴｕ ｅｗｈ ｜ Ｅ， ｃ ｂ ｈＩ Ｆ ＭＰ
ｈ 『 ，ｈ ａ １ ｔ ｅ ｌ ｄｍ日
ｉ ｔ ｓａ ｎｅ ａｅ ｂｔｅ ｎ ａ ｄｇｓａｅｃ ａ ｄｍｄ ｈ ｍｅ ｔｉｔｄ ｃ ｅ ｅ ｑ ｗ ｎ ａ ｒ ｏ ￣ ｅ ．Ｔ ｅ铲 Ｔｉｇ Ｉ ｌ
删 ｌ ｎｋ ｉｅ ｅ ｃ ｉ ｆ ｉ ｄｆ ｒ ｎ ｅｍｅｌ ｔ ￣ ａ ｄｔｅ １ ｓ ｎ ｈ ｎ ｄｅ 扫
Ｍ ｔ ｌｙ Ｍ ｎＴ ＥＮ Ｐ ｅ ｙ ｍｌｏ （Ｆ ／ Ｍ ） ｈｐ
‘Ｉｌｉ ｉ ｕ ｒ ｇｆ ｄ
ｌ ｉａ ｆｗ ａ ｅ ｒ ｅ ．Ｉ ｈ ｈ Ⅱ ｍｄ ｌ ｎ ￣ｍｉ ａ ｎｒ ｏ ｒ ｄｓ ｉ ｄ ｎｔ Ｐ ｙｃＩ ｏｅ ａｄｇ ｍ ｌ ｅ ｃｂ ｅ ｎ ｇ删
址＿ 岫
一
大于溶液温度和浓度所对应的蒸气分压力 ，
ＴＥ蒸 气不断 地 由气 相 转 移 到 液相 ， 液 浓 度 Ｆ 溶 发
— —
Ｐ ——压力 ．Ｐ ｋａ
口 ——界 面热流率 ，
— —
温度 ， ℃
—
ｕ—
纵向速度 ． ／ ｍｓ 径向速度 ， ／ ｍｓ
（ － 人 口 卜
ｎ— —
—
—
平均
收 藕 日期 ： ２ Ｉ ５ ｌ 吣 —０ 一 ４
基盒璜 目： 国家 自 然科学基金资助项 目（９７Ｏ ６ ５８ ６Ｏ ）
维普资讯
Ｖｏ ． ０， ｏ． ， Ｏ ２ １３ Ｎ １ ２ Ｏ
竖直通道内水平管束自然对流的数值模拟
山 东 化 工 收稿日期：２０２０－０４－２８作者简介：代明俊（１９９４—），安徽安庆人，上海理工大学在读研究生，主要从事流动与换热的数值模拟研究。
竖直通道内水平管束自然对流的数值模拟代明俊，王治云（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 ２０００９３）摘要：采用非稳态的层流模型对竖直通道内水平管束的自然对流换热进行了数值模拟。
分析了管间距以及瑞利数的变化对管束自然对流的流动和换热特性的影响。
数值模拟结果表明：随着管间距和瑞利数的增大，管间的流动由稳定的对称状态逐渐发展为随时间的周期震荡状态和混沌的震荡状态，并给出了管后所有对称流动状态消失的临界管间距和瑞利数。
圆管换热在瑞利数较小时随管间距的增大变化较小，当瑞利数在１０６≤Ｒａ≤１０８范围时，圆管换热总体随管间距的增大而减小。
关键词：圆管束；自然对流；数值模拟；管间距；瑞利数中图分类号：ＴＱ０１８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）１３－０２０４－０４ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＮａｔｕｒａｌＣｏｎｖｅｃｔｉｏｎｏｖｅｒａＣｏｌｕｍｎｏｆＣｙｌｉｎｄｅｒｉｎａＶｅｒｔｉｃａｌＣｈａｎｎｅｌＤａｉＭｉｎｇｊｕｎ，ＷａｎｇＺｈｉｙｕｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｒａｎｓｉｅｎｔｍｏｄｅｆｏｒｔｈｅｎａｔｕｒａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎａｒｏｕｎｄａｂｕｎｄｌｅｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｙｌｉｎｄｅｒｓｃｏｎｆｉｎｅｄｉｎａｖｅｒｔｉｃａｌｃｈａｎｎｅｌ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｐｉｔｃｈｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓａｎｄＲａｙｌｅｉｇｈｎｕｍｂｅｒｏｎｔｈｅｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｆｌｏｗｂｅｔｗｅｅｎｃｙｌｉｎｄｅｒｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｒｏｍｓｔａｂｌｅａｎｄｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｓｔａｔｅｔｏｐｅｒｉｏｄｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｔａｔｅａｎｄｕｎｓｔａｂｌｅｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｐｉｔｃｈａｎｄＲａｙｌｅｉｇｈｎｕｍｂｅｒ，ａｎｄｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌＲａｙｌｅｉｇｈｎｕｍｂｅｒａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｐｉｔｃｈｗｈｅｒｅｔｈｅｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｎｄｓｔａｂｌｅｆｌｏｗｄｉｓａｐｐｅａｒｅｄ．ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓｗａｓｗｅａｋｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｐｉｔｃｈｗｈｅｎｔｈｅＲａｙｌｅｉｇｈｎｕｍｂｅｒｗａｓｓｍａｌｌｅｒｂｕｔｏｂｖｉｏｕｓｌｙｗｈｉｌｅｔｈｅＲａｙｌｅｉｇｈｎｕｍｂｅｒｌａｒｇｅｒａｎｄｂｅｃｏｍｅｒｅｇｕｌａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ；ｎａｔｕｒａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｕｂｅｓｐａｃｉｎｇ；Ｒａｙｌｅｉｇｈｎｕｍｂｅｒ 流体扰流管束在实际工程中有着广泛的应用，如空气经过空气冷却器中的传热，某些电子器件的散热设计等。
对流边界条件下竖板降膜除湿过程中传热传质的数值模拟
对流边界条件下竖板降膜除湿过程中传热传质的数值模拟张村;施明恒
【期刊名称】《制冷与空调》
【年(卷),期】2004(004)004
【摘要】针对竖板降膜(层流)溶液除湿空调系统,建立了溶液降膜过程传热传质的数学模型,给出了对流换热边界条件下过程的数值解.模拟了三种不同冷却条件下的降膜除湿过程.结果表明,当对流换热系数较小时,与绝热边界有相似的发展趋势;而当对流换热系数较大时,则接近于等温条件下的规律.同时,模拟结果还给出了不同的无量纲吸收热λv和刘易斯Le对降膜内Nusselt数和Sherwood数的影响,表明无量纲吸收热的改变不影响Nu数和Sh数在流动方向上的最终渐近值.
【总页数】5页(P21-25)
【作者】张村;施明恒
【作者单位】东南大学动力系;东南大学动力系
【正文语种】中文
【中图分类】TB6
【相关文献】
1.降膜蒸发器传热传质与流动过程数值模拟 [J], 杨新飞;郭延柱;任丽;王海蕊;于朋玲
2.气液叉流竖管降膜热质塔的传热传质数值模拟 [J], 龚武文;刘泽华;李斯;周魁;宋依峰
3.水平管降膜吸收局部传热传质特性的数值模拟 [J], 李美军;路源;张士杰;肖云汉
4.错流降膜液体干燥剂除湿/再生传热传质数学模型及分析 [J], 代彦军;张鹤飞;俞金娣
5.交替边界条件下多孔床传热传质特性数值模拟 [J], 宋潞云; 张辉
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
文章编号:〇253-4339(2017) 06 - 0080 -07doi:10.3969/j.iwn.0253 -4339. 2017.06.080竖直通道内降膜流动数值模拟研究万智华u厉彦忠2陈宏振1(1江苏建筑职业技术学院建筑设备与市政工程学院徐州221116; 2西安交通大学能源与动力工程学院西安710049)摘要降膜蒸发是一种髙效的传热技术，平均液膜厚度是考察降膜蒸发传热性能的一个重要影响因素。
本文基于V0F算法，建立了水和空气沿二维竖直通道降膜流动的C F D模型，模拟研究了液膜速度、工质种类、同向和逆向气流对平均液膜厚度的影响。
结果表明:提髙液膜速度会增大平均液膜厚度;气相工质对液膜厚度影响不大，而液相工质对液膜厚度影响较大，液膜厚度随液相黏度增大而增大;同向气流对人口段和发展段的液膜厚度影响不大，稳定段液膜厚度会随着同向气流速度的增大而减小; 平均液膜厚度随逆向气流速度增大而降低，当逆向气流速度达到2.5m/S后，气流速度对液膜厚度的影响减小。
关键词两相流;降膜;波动;V0F算法;数值模拟中图分类号:T B657.5;T K124;T Q051.6 文献标识码:AN um erical Sim ulation o f Falling Film Flow in V ertical ChannelWan Zhihua1’2Li Yanzhong2Chen Hongzhen1(1. School of Construction Equipment and Municipal Engineering，Jiangsu Vocational Institute of Architectural T e c hnology，X u z h o u，221116, C h i n a; 2.School of Energy and Power Engineering，Xi'an Jiaotong University，X i'a n，710049，C h i n a)Abstract Falling-film evaporation i s an efficient heat-transfer technology.The average film thickness i s an important factor that affects the heat-transfer performance.Based on the volume o f fluid (V0F)algorithm’a computational fluid dynamics (C F D)model was established t o describe the flow o f a two-phase (air-water)falling film on a tw-o-dimensional vertical channel.The effects o f the film velocity，working medium，and co-current and counter-current gas on the liquid film thickness were investigated.The results show that the film thickness grows with the increasing film velocity.The gas-phase medium has l i t t l e effect on the liquid-film thickness；however，the liquid medium has a great influence，and the film thickness increases with the liquid-film viscosity.The co-current gas flow has l i t t l e effect on the film thickness in the entry and development regions.However’in the stable regions，the film thickness decreases with the increasing co-current gas velocity.The average film thickness decreases with the increase o f the counter-current gas velocity.W h e n the counter-current gas velocity reaches2.5m/s，the gas-velocity's influence on the liquid-film thickness decreases.Keywords two-phase flow；falling film；fluctuation；V0F algorithm；numerical simulation降膜流动具有传热温差小、换热效率高的优点，因此广泛应用于海水脱盐、食品工业、空调设备、化工 等领域[|]。
近些年’膜式主冷凝蒸发器在国外一些 空分公司中得到了一定的应用。
相关研究表明，液膜 厚度是影响降膜传热传质的主要因素’当R e =30〜1 600时’液膜表面会形成一定的表面波。
当R e > 167时’液膜开始出现孤立波,而波动会对液膜厚度 产生一定影响，因此研究液膜波动的变化规律对分析 液膜的传热传质性能十分关键[2-3]。
传统研究降膜 波动一般采用实验的方法[4-5]。
实验方法数据比较 可靠，但成本较高，有些物理量不便于测量。
随着计 算机模拟技术的发展，使数值模拟求解复杂的降膜流动成为了可能。
V0F模型能够较好地捕捉气液两相 界,因此在两相流模拟方面得到了较为广泛的应用。
影响降膜流动的因素很多，如接触角、表面张力、工质 物性、入口速度分布等。
J.K.M i n等[6]采用V0F模 型模拟了竖直壁面下降膜的液膜厚度、波幅、波速和 波动频率随雷诺数的变化。
许松林等[7]模拟研究了 气液速度和壁面切应力对液膜流型的影响。
刘玉峰 等[8]模拟了 R e>4 760时竖壁下水降膜流动的情况。
目前，对竖直壁面降膜已有一定的研究，但对不同气 液工质种类、同向和逆向气流对液膜厚度影响的研究 不多。
本文模拟研究了液膜速度、工质种类、同向和 逆向气流等因素对液膜厚度的影响，为降膜研究提供收稿日期:2017年4月17日一 80 —一定的理论基础。
1模型与计算1.1物理模型与边界条件建立了如图1所示的二维物理模型，流动长度为 500 m m，宽度为4.6 m m，液膜入口宽度为0.6 m m。
液相采用速度入口边界条件，壁面采用无滑移边界条 件，其他均设为压力出口边界条件。
为了更好地模拟 壁面处的液膜波动情况，对近壁面处的网格进行了加密处理。
液相入口气相入口>压力出口图1物理模型Fig.1Physical model为防止网格数目对计算结果精度的影响，进行了 网格无关性验证。
计算了网格数量分别为14 500、30 000、60 000、120 000、150 000 个的 5 种网格模型。
根据液膜的流动形态不同，许松林等[7]将流动方向 划分为入口段、发展段和稳定段三个区域。
本模拟中 监测了流动方向乙=150 m m,L= 250 m m和L=350 m m三处液膜厚度的变化，并计算总平均液膜厚度I 和液膜厚度相对偏差R E T，不同网格模型下的计算 结果如图2所示。
当网格数目达到120 000时，继续 增加网格数目时I和R E T变化不大。
综合考虑计算 精度和成本，最终采用网格数量为120 000的网格模 型进行计算。
1.2数学模型与计算方法为了模拟液膜气液边界的变化，采用不可压缩非 稳定求解设置和V O F模型。
该模型引入了流体相体 积分数a的定义，即各相体积分数之和等于1，如式(1)所示：a i +a g= 1(1)式中：a,、a g分别为液相、气相的体积分数。
各相体积分数方程如式(2)所示：d a^^ •V a q= 0 (2)式中：a q为相体积分数，当q为1时，表示液相体Fig.2 Verification of mesh independent积分数，当q为g时，表示气相体积分数；〃为速度矢量。
动量方程：-^(p v) + V (pv v)= - V p + V [fx(V z; +dtV v T)] + F(3)式中：jp为压力，P a;；a为动力黏度，kg/(m*s);p 为密度，k g/m3;V为重力加速度，m/s2,为体积力源 项，k g/(m2.s2)。
式中:p和黏度^的计算式分别为：P =a iPi+ a g P g(4)= a i^i +a g a g(5)式中：P i、P g分别为液相、气相的密度，k g/m3;；^、yag分别为液相、气相的动力黏度，kg/(m*s)。
F l u e n t中连续表面张力模型（continuum surface force，C S F)是由J.U.Brnckbill等[9]提出的。
该模型 提出的表面张力可以直接添加到动量方程的体积力 源项，中，如式(6)所示：F = a(6)Pi+P g式中W为表面张力系数，N/m;K为界面曲率，其计算式如下：k=-V(^^)(7)V a q采用V O F模型，默认水和空气作为计算介质，第 一相为空气，第二相为水。
经计算办<1 000,因此采 用层流模型，压力和速度耦合采用P I S O方法，动量方 程采用二阶迎风差分格式。
默认表面张力系数为0. 072 N/m，默认接触角为45°。
1.3模型验证由于自由降膜通常存在着基底液膜、大的孤立波 和小的毛细波，使液膜厚度并不固定，因此有必要采 用统计方法来描述[10]。
Y.Q.Y u等[11]指出统计变 量主要分两种，一种是液膜厚度统计变量，包括平均一 81 —度差异不大。
通过与文献中的平均液膜厚度经验关联式对比，发现模拟结果和经验公式变化趋势吻合较 好，结果与W . Nusselt ™提出的经验公式最为接近。
说明本文采用模型可以较为准确的模拟平均液膜厚 度的变化。
图3不同入口雷诺数下的平均液膜厚度Fig . 3 Average film thickness (I ) for different Re图4给出了流动方向0.35〜0.40 m 位置的气相分布云图，为液膜的厚度，m 。