小管径光滑铜管内R290沸腾换热的数值模拟

小管径光滑铜管内R290沸腾换热的数值模拟

王乐乐; 田思瑶; 马耀林; 戴源德

【期刊名称】《《南昌大学学报（工科版）》》

【年(卷),期】2019(041)003

【总页数】6页(P291-296)

【关键词】丙烷; 沸腾换热; 数值模拟; 换热系数

【作者】王乐乐; 田思瑶; 马耀林; 戴源德

【作者单位】南昌大学机电工程学院江西南昌330031

【正文语种】中文

【中图分类】TB6

由于制冷剂R22具有破坏臭氧层和加剧温室效应的缺点，将被淘汰。经研究发现，R290(丙烷)及其混合制冷剂具有优秀的环保性和热物理特性，是理想的替代制冷

剂[1-4]。

研究R290在管内的沸腾换热特性对探索提高R290换热性能和优化蒸发器结构具有重要作用。由于R290在管内的流动沸腾换热机制较为复杂，大多数学者选择实验方法来展开研究，例如Wang、戴源德等[5-8]研究了水平光滑铜管内R290的

沸腾换热特性，得出随着热流密度、干度、质流密度，饱和温度的增加以及管径的减小，表征管道中沸腾换热强度的沸腾换热系数会不同幅度地增大；葛琪林、Choi等[9-11]则采用不锈钢微通道进行了R290沸腾换热的实验研究，得出随着

热流密度、干度、质流密度，饱和温度的增加以及管径的减小，沸腾换热系数同样会不同幅度地增大，且在低干度区内，相对于质流密度，热流密度对沸腾换热系数的影响更明显；韩晓霞等[12]基于大量实验数据，认为用SHAH[13]关联式预测光滑管内R290的沸腾换热系数准确性较好。由于实验研究条件和范围受到限制，为了深入观察R290管内流动特性，分析管内沸腾换热规律，采用数值模拟方法进行系统的研究十分必要；目前仅发现陈伟清等[14]对外径5 mm的水平光滑铜管内

的沸腾换热进行了模拟分析，且R290由于具有可燃性，采用小管径传热管，减小制冷剂充灌量是一种可行途径[15]，因此，有必要对R290在小管径内的流动沸腾换热开展系统的模拟分析研究。在前人研究的基础上，补充R290在常用4 mm

小管径的水平传热管管内沸腾换热的理论模拟研究，以指导实际应用。

1 数值模拟模型

1.1 物理模型及网格划分

由于水平管结构具有对称性，因此将物理模型简化为二维水平管道，长度为0.9 m，如图1所示，对光滑管采用结构化网格划分并对边界层进行加密处理。为保证计

算结果不受网格密度影响，经过网格无关性验证，将网格数设为34 771，此时模

拟所得出口截面气相体积分数的偏差小于0.5%，且计算时间较短，在提高计算速度的条件下能满足模拟所需达到的精度要求。

图1 物理模型示意图Fig.1 Diagram of physical model

假设流动为稳态不可压定常流动，加热壁面为定热流密度，忽略重力、不凝性气体的影响，各相之间混合均匀，模拟的管内径为4 mm，管材为紫铜，质流密度为100～180 kg·m-2·s-1，热流密度为13～20 kW·m-2，饱和温度为11 ℃，入口

干度为0.1～0.9。

1.2 Mixture模型

在多相流模型的选择上，采用的是Mixture模型，该模型除了满足连续性方程、

动量守恒方程和能量守恒方程外，还包括滑移速度方程、第二相体积分数方程。连续性方程：

·(ρmvm)=0

(1)

(2)

(3)

式中：αk为第k相的体积分数；ρk为第k相的密度，kg·m-3；vk为第k相的速度矢量，m·s-1；vm为混合流体平均速度矢量，m·s-1。

对所有相的动量方程求和可得到混合相的动量方程：

·(ρmvmvm)=-·p+·[μm(vm+

(4)

(5)

vdr,k=vk-vm

(6)

式中:μk为第k相的动力黏度，Pa·s；p为压强，Pa；g为重力加速度矢量，m·s-2；F为体积力矢量，N·m-3,vdr,k为第k相的漂移速度矢量，m·s-2。

能量方程：

·(keffθ)+SE

(7)

(8)

式中:keff为有效导热系数，W·m-1·℃-1；θ为温度，℃；SE为所有相的能量源项，W·m-3；hk为第k相的焓值，J·kg-1。

滑移方程：

(9)

式中：下标p、q分别表示第一相和第二相；τ为驰豫时间，s；fdrag为曳力函数；a为第二相的加速度，m·s-2。

第二相的体积分数方程如下：

·(αpρpvm)=-·(αpρpvdr,p)+

(10)

式中：mpq为第一相质量源项；mqp为第二相质量源项。

1.3 湍流模型

为了提高计算的稳定性，同时考虑到气液两相流中离散相分布比较宽广[16]的特点；考虑计算量，求解精度等因素，湍流模型选用RNG k-ε模型。

1.4 初始条件和边界条件

入口为速度入口边界，速度为0.19～0.35 m·s-1，温度为11.0 ℃。水力直径取为4 mm；出口为压力出口边界，表压为饱和蒸汽压，设定出口的湍流强度、湍流直径，并给定温度；壁面为等热流密度边界，热流密度为13～20 kW·m-2，材料为紫铜，近壁流体相对壁面无滑移速度。

选用ANSYSFluent16.0进行计算，速度-压力耦合使用Coupled算法，压力采用PRESTO!格式，动量、能量方程均采用二阶迎风格式，体积分数方程采用QUICK

格式。

2 沸腾工况模拟分析

对管内速度、温度、气相体积分数变化特性的分析可以直观地得到制冷剂的流动沸

腾过程和流动特点，进而得出R290在管内的流动沸腾换热规律；在质流密度为100 kg·m-2·s-1，热流密度为13 kW·m-2，饱和温度为11.0 ℃的工况下，选取具有代表性的中间部分管段，分析该管段截面的平均速度、平均温度和平均气相体积分数随管长的变化特性。

2.1 速度变化

图2表示的是截面平均速度随管中位置的变化关系，横坐标为制冷剂在管中的位置l，纵坐标为制冷剂流速v。

l/m图2 截面平均速度与管中位置的变化关系Fig.2 Relation between average section velocity and the position in the tube

可得：l为0～0.037 5 m时速度增长急剧，这是由于管内传热的入口效应，入口处边界层较薄，有利于传热，制冷剂的相态由液相迅速转变为气液两相，产生相变使得换热比较剧烈。从0.037 5 m以后，速度几乎呈直线增长，出口处达到约1.56 m·s-1，这是由于随着l增加，管内的气液两相流不断吸收从壁面传递来的热量使沸腾换热加强，气相成分增加，气相与液相之间的黏力作用减弱，使得流速增大。

2.2 温度变化

图3表示的是截面平均温度随管中位置的变化关系，横坐标为制冷剂在管中的位置l，纵坐标为温度。可看出：入口处温度几乎保持不变，此后温度随l近似呈线性增长，这是由于距离入口越远时，壁面与管内流体的换热量越多，热量由管壁附近流体向中心流体传递；当l达到0.5 m时，温度几乎保持不变，这是由于此时的换热处于环状流阶段，换热形式以强制对流换热为主，气相占比较大，壁面与制冷剂的换热热阻比较小，管壁热量通过制冷剂液膜传递到汽液交界面上，使得液相制冷剂不断吸热转变为气相。

l/m图3 截面平均温度与管中位置的变化关系Fig.3 Relation between average