沿垂直壁面气-液降膜流动传质过程的数值研究

其 中 ： 为气液 间 的传质 系数 ， 为饱 和 湿空 气 Ｐ
２ 数 学 模 型
２ １ 控制 方程 ．
的密度 ， Ｐ 为空气侧 的密度 ， Ｐ 为湿空气 内的蒸汽 分 压 ， 为气 液相 界 面处 的饱 和蒸 汽压 力 ， 以通 可 过公 式 （ ） ７ 计算 得到 。
Ｔ－２７ １ ３ ５
统 中两个 相共 同决 定 。如气 液两 相 流 中的密 度 由式
（） 示： ３表 Ｐ＝ ＋ ｇ （） ３
）・ ０ 。ｘ１ 一
，
（Ｏ １）
０
２ ２ ２ 能量守 恒方 程 ．． ｉ ）＋Ｖ． Ｖ ｐ ｐ ］＝Ｖ・ ｋ ）＋ｓ ｏ（ ［ （ Ｅ＋ ） （ｅ ｅＶ Ｑ
结论 ， 当与液体 流 动方 向相 反 的空 气 流 为 高度 发
数 的分 布 求得 气液 相界 面位 置 。 在某 个 计 算单 元 内 ， ＝０表示 该单 元 内没有 第 ｉ ； ： １ 相 表示 该 单 元 内充 满第 ｉ ； ＜ ＜１ 相 ０ 则表 示该 单元 内存 在 第 ｉ 与其 他相 的界 面 。 液 相 界 面 的分 布 通 过 式 相 气 （ ）和式 （ ）求得 。 １ ２
传 质 。 由双膜 理论 的假 设 ， 得到 下 面 的传 质公 式 ：
３ ６
燃 气 轮 机技 术
第２ ５卷
方法 ； 对流 项采用 一 阶迎 风格 式 ， 气 一 在 液界 面追 踪 方法 中 ， 用 精 度 较 高 的 Ｇ ｏ—Ｒ ｃｎｔ ｃ 格 式 。 选 ｅ ｅｏ ｓ ｕｔ ｒ 质量 源项 和能量 源项 通过 Ｆｕｎ 提供 的用 户 自定义 ｌｅｔ （ ｓｔ ｅ ｎ ｄＦ ｎｔ ｎ ， Ｄ ） Ｕ ｅ Ｄ ｆ ｅ ｕ ｃ ｏ ｓＵ Ｆ 宏命 令编 写和接 入 。 ｉ ｉ
Ｓ Ｑ＝ｈ 一 ）＋ｒ （ Ｊ ｓ （２ １）
式 中 Ｐ由式 （ ） ３ 表示 ， 速 度矢量 。 是
２ ２ 源项 ．
２ ２ １ 质量 源 项 ．．
其 中 ：为蒸 发潜 热 ， ｒ ｈ为气 液 之 间 的传热 系数 。
ｈ可 以通 过式 （ ３ 和 （４ 求得 ： １） １）
（ １ １）
２ １ ２ 连续 性 方程 ．． ＋ｖ・（ ）＝０ ｐ
０‘
其 中： Ｉ ｉ ｝ 表示 有效 导热 系数 ，口表示 能量 源项 。 ． ｓ
（） ４
水 和 空气 之 间 的传 热 主 要分 为 两部 分 ， 部 分 一 是 显热 传递 ， 即水 和空气 的对 流传 热 ， 另一 部分 为潜 热 传递 ， 即水 蒸气 蒸发所 传 递 的热 量 ：
质 特性 进行 了广 泛 的研 究 ， 取得 了很 多 有 价值 的研
ｙ坐标 分别 表示垂 直 于平板 和平 行 于气液 流 动方
究 成 果 。天津 大 学 的 谷 芳 等 人 研 究 了异 丙 醇 稀 溶液 和 Ｎ 沿壁 面逆 流过 程 中 的传 质 特性 ， 是 忽 略 ： 但 了气 液 间 的传 热 。华 南 理 工 的郭 常 青 等 人 研 究 了板 式冷 凝器 壁 面水 和 空 气 之 间 的传 热 过程 ， 虑 考
了壁 面热 流密 度对 传 热 的 影 响 ， 没有 研 究 气 液 之 间
向 ， 态水 的进 口宽度 为 ２ｍ 空气 的进 口宽度 为 液 ｍ，
１ ０ ｍｍ， 面 高 度 为 １０ ｍ。考 虑 重 力 因 素 的 壁 ０ ｍ
影响。
液 体
２ １ ０
的传 质 过 程 。Ｍｏａ ｅ ｈｍ ｄ等人 ＿ 研 究 了 湿 空 气 在 垂 ４ 直管 道 液膜顺 流 流动 中 的冷凝 以及 气液 之 间 的传 质
效率 。然而 目前 的大部 分研 究是 针对气 液解 吸过 程 以及 冷凝 过程 ， 水 和 空气 的逆 流 流 动蒸 发 过 程 的 对 传 质特 性研究 较 少 。 本 文 根据 水 和 空气 逆 流 降膜 流 动 的 特点 ， 虑 考 了气液 之 间传质 源 项 以及 能 量 源项 ， 立 了垂 直 平 建
（ 海交通 大 学 机 械 与动 力工程 学院 ， 力机械 与 工程 教 育部 重点 实验 室 ， 海 上 动 上
摘
２０４ ） ０２０
要： 在考虑气一 液两相 间质 量源项 和能量 源项 的条件下 ， 基于 Ｖ Ｆ算法 ， Ｏ 建立 了水 和空气沿 竖直平板 壁面
两相降膜流动传热传质的 Ｃ Ｄ模 型。利用该模型研究 了水和空气两相 间的传质特性 ， Ｆ 分析 了液 膜波动 、 进气 进液速度 以及温度对传质 的影响 ， 计算 结果表 明 ： 定程度 的液膜 波动 、 气速度 和进液 速度 的提 高 、 液 一 进 气一
从 对 液膜沿 圆形 及矩 形截 面 的垂 直 流道 内表面
面流动 的数值方法中应用最为广泛 的 Ｖ Ｆ Ｖ ｌ ｅ Ｏ （ｏｍ ｕ ｏ ｌｉ） 面追踪 技术 ］ ｆ ｕｄ 界 Ｆ ５。
Ｖ Ｆ算 法通 过 追踪计 算 单元 内第 ｉ 的体积 分 Ｏ 相
流动 时 的传 热传 质情 况 的实验研 究 结果 中可 以得 出
２ １１ 体积分数方程 ．．
气 液相 界 面 的追踪采 用 目前 在各 类计算 自由表
Ｐ 如。＝Ｐ ０ ０Ｘ １ 币 而
０． ３１３ １ ０５， ２＝２． ２４ ａ ６３ ７ｅ一５。
：
（） ７
其 中 ：Ｐ ＝ ６０７Ｐ ，ａ ＝ ３．６ ，ａ ｏ １． ａ ０ １６３９ １＝
Ｗ
Ｏ１ ． ８
０２ ．０
０２ ．２
左 右 的壁 面采 用 绝 热边 界 条件 ， 水膜 进 口边界 为温 度 ｒ… 速度 ， ｗ ， 气 进 口边 界 为 温 度 ｉ 速 空 ，
Ｎ ｕ＝ｈ ／， ｄ ￣ ２３ 计 算方 法和 边界 条件 ．
２ ３ １ 计 算方 法 ．．
（４ １）
的传 热 传质 。双膜模 型 认为 ： 当空气 和水接 触 时 ， 在 气 液相 界 面 两 侧 ， 别 存 在 呈 层 流 流 动 的气 膜 、 分 液 膜 ， 厚度 随流 体 流 动 状 态 变化 ， 两膜 以外 的气 、 其 而 液 相 主体充 分 湍流 ， 无浓 度梯 度 ； 液 问的传 质通 过 气 液 膜 和气 膜 完 成 。水 中蒸 发 的水 蒸 气 首 先 通 过 液
板水 和 空气逆 流 过程 中的 Ｃ Ｄ模 型 ， Ｆ 对气 液 之 间 的
空 气
（ 单位；ｍａ ）
图 １ 物 理模 型
传热 传 质特性 进 行 了研 究 ， 为气 液 降 膜 在 湿 空气 透 平 （ Ａ ） 环 重 要 部 件 饱 和 器 等 设 备 中 的应 用 提 Ｈ Ｔ循 供 了重 要 的参 考依 据 。
之 间的温差 的增加 ， 能强 化气一 都 液之间 的传质过程 。 关 键 词： 降膜 ； 传质 ； 液两相流 ； 气一 数值模拟 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ９— ８９ ２ １ ）３— ０ ４～ ６ １０ ２ ８ （０ ２ ０ ０ ３ ０
中图分 类号 ：Ｋ ２ Ｔ １４
气 液降 膜 由于其 高传热传 质 系数等 独特 优点 而
＋ ． ：０ Ｖ （） １ （） ２
达 的流体 动力学 上 的稳 定 紊 流 时 （ 通道 的长度 与 直 径 的 比值 ｌｄ＞ ０ ， 质 系 数 可 以应 用 公 式 （ ） ／ ５ ）传 ８ 和
（） 出： ９得
Ｓ ＝ ０ ０ ３ 。 ｃ・ ｈ ． ２ Ｒｅ～Ｓ 。 ｆ） ８
在液态水沿壁 面降膜 与空气传热传质 的过程
中 ， 态水 的温度 高于 空气 温度 ， 液 在水 和空 气逆 向流
动过程 中， 热量从液态水传递给空气 。传质过程分 为两个 阶段 。第一 个 阶段 ， 当空 气没有 饱 和时 ， 一部
收 稿 日期 ：０ １ １ ０ 改 稿 日期 ：０２—０ — ９ ２ １ —１ ～ ３ ２１ １ ０
第２ ５卷
第 ３期
《 燃
气
轮
机
技
术》
Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ３ １２ ．
Ｓｅ ｐ．，２ ２ ０１
２１ ０ ２年 ９月
ＧＡＳ Ｔ ＵＲＢＩ ＮＥ ＣＨＮｏＬｏＧＹ ＴＥ
沿 垂 直 壁 面 气 一 降 膜 流 动 传 质 过 程 的 数 值 研 究 液
刘国兵 ， 惠 宇， 王玉璋
作 为一 种优 良的传 热传 质手 段在 热能工 程 、 能源 、 石
油 化工 等 工 业 领 域 应 用 广 泛 。 比如 在 湿 空气 透 平
１ 物 理模 型
沿壁 面 气 液 降膜 流 动 的物 理 模 型如 图 ｌ所 示 ， 液 态水沿 着壁 面从 上 往 下 流 动 ， 气则端 密 、 间 疏 ； 中 网格 总 数 为 １ ７ ６０ １个 。采 用 基于 压力 的非 稳态 格式 计 算 ， 间 步长 为 １ ～ ～ 时 ０
１ ～； ０ 压力 一 度 耦 合方 程 选 用 压 力 的 隐式 算 子 分 速
割 （ ｒｓｕｅＩ ｌ ｉｗｔ ｐｉｉｇｏ ｐ ｒｔ ｓＰＳ Ｐｅｓｒ ｍｐｉ ｔ ｉ Ｓ ｌｔ ｆ ｅ ｏ ，ＩＯ） ｃ ｈ ｔｎ Ｏ ａｒ
第 ３期
沿垂直壁 面气一 液降膜流动传质 过程 的数值研 究
３ ５
分液 态水 蒸发 为水 蒸 气 ， 扩 散 到 空 气 中。第 二 个 并 阶段 ， 当空气 处 于饱 和状态 时 ， 液态 水不再 蒸 发扩 散 到空 气 中 ， 分湿 空气 会凝 结成 液态 水 。 部
Ｓ＝（ 一ｏ＝走 一 （ ｍ卢 Ｊ 卢 （ ） ６ ｐ Ｄ ｃ ） ）
Ｎ“ ： ０ ０ ３Ｒｅ～ Ｐ ．２ 。 （ ３ １）
质量 输运 方程 如下 所示 ：
‘
专（ ＋Ｖ （ ）＝ ・ ｓ ＿ － ） ・ｐ ｐ 一Ｖ ．＋ ，
Ｕ
（） ５
其中： 是组分 ｉ 的质量 分数 ， 是质 量源 项 。 ｓ
这里 采用 双 膜 模 型 理 论 研 究 气 液 两 相 之 间
Ｓ ｌ ＪＤ ｈ＝ｆ ｄ
的扩散 系数 ， 以通过 公式 （０ 计 算 ： 可 １）
Ｄ —
（） ９
其 中 ：。 ｄ 为计 算 区域 的 有效 直 径 ， 气 液 间 Ｄ 为
Ｄ ＝ １ ３ ｏ １ ． ８ｒ （
ｐ
、
∑ 竹 ：１
＝１
在本 文所 计 算 的多 相 流系统 中 ，只包 含气 体 和 液 体 两相 ， ＝２ 控 制 方 程 中所 涉 及 物 质 属 性 由 系 ｌ ， ＇ ｔ
（Ａ ） Ｈ Ｔ 循环 重要 部 件饱 和 器 中， 液 降 膜 流动 应 用 气
其 中 。
扫 过液 面 ， 由于 主要 是研 究 气 液 界 面 处 的传 热 传 质
过 程 ， 以将 平板 的热 边 界 条 件处 理 为 绝 热 。其 中 所
、
长期 以来 ， 内外 的很 多学 者 对气 液 的传 热 传 国
膜 ， 后再 通过 气 膜 进 入 到 空 气 中 ，完 成 气 液 间 的 然
求解 器采 用 Ｆ Ｕ Ｎ ． Ｌ Ｅ Ｔ６３流体 力 学软 件 包 。计 算 网格 采用结 构 化 网格 ， 网格在 液相 区是均 匀分布 ，
在气 相 区从气 液 界 面开 始 由密 变疏 ； 网格 在 气 液流
基 金项 目 ： 国家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 基 金 项 目（７ ９ ３计划 ） ２０ Ｃ ２ ００ ） （０ ７ Ｂ １ １２
作者简 介 ： 刘国兵 （９６一 ， ， １８ ）男 湖北武汉人 ， 硕士研究生 ， 主要从事多相流 、 传热传质以及湿空气透平（ Ａ ） Ｈ Ｔ 循环的研究 。
若同时计算气液两相的流动情况和传热传质情 况， 计算 会很 慢 ， 而且 收敛 困难 ， 以采用 两 步 计 算 所
策略 ： 首先计 算气 液 的纯流 动情况 ， 当气液 流动稳 定
后 ， 用 Ｕ Ｆ导入 质量 源项 和能量 源项 进行计 算 。 利 Ｄ
２ ３ ２ 边 界条件 ．．
１ ２ ｎ１ ４ ｎ１ ６