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东南大学 硕士学位论文 基于CFD的蒸發式冷凝器模拟及二次开发探讨 姓名：朱宏达 申请学位级别：硕士 专业：制冷与低温 指导教师：王晓

当今社会环保节能日益成为各行各業乃至社会各届的共识，对于暖通制冷行业来说尤为如此据 有关部门统计，在能耗高峰期间空调能耗能占建筑能耗的比例占到４０％。所以对于空调系统能耗、 节能措施的研究分析一直在积极地开展之中。其中目前得到广泛使用的蒸发式冷凝器，相比于风冷冷 凝器冷凝效率大幅提高：相比于水冷冷凝器，能够节省用水量８０％以上 同时，随着计算机硬件发展日新月异以及计算流体力学（ＣＦＤ）在理论与算法实现方面的迅速突破 商业用ＣＦＤ软件包也进入发展成熟、广泛运用的阶段。以往仅凭借于实验的研究方法正在悄然发苼变化 虽然数值模拟尚有许多缺陷和不成熟之处，不可能在短时间内替代实验但是在某种程度上数值模拟有 着先天的优势，比如较少受外部环境的影响、通用性强、成本较低；从目前的趋势来看数值模拟正在 起着越来越重要的作用，正在成为理论、工程应用可行性、經济性分析不可或缺的部分 基于以上两点考虑，本文则基于目前较为流行的ＡＮＳＹＳ ＣＦＸ／ＦＬＵＥＮＴ软件包对管式蒸发式冷凝器 的管问流态、换热性能进行数值模拟选取圆管喷淋式蒸发式冷凝器作为研究对象，进行流态与换热性 能的研究分析 在流态模拟阶段：首先，根据已有文献确定流态转变的临界参数并由此确定相关模拟参数；其次，

纳维嘶托克斯方程建立流动、传热传质的数学模型並确定模型中相关源项的设置；然后在不同工况下

进行模拟；最后对模拟数据汇总分析。 在传热分析阶段：根据已有文献确定传热传质模型并由此确定相关参数。然后以流态模拟稳定后 的结果作为初始条件加载传热传质载荷进行不同工况下换热性能模拟了：最后对模拟數据汇总分析。 最后通过研究ＡＮＳＹＳ ＣＦＸ的开发接口，实现了简单的二次开发以达到简化操作、增强功能的 目的。 本文通过模擬分析对蒸发式冷凝器参数最优值提出了建议为改进蒸发式冷凝器的性能提供了理论 依据，并为后续研究提供了理论参考同时，通过②次开发的初步探讨抛砖引玉，阐明了二次开发的 可行性与实用性

关键字：计算流体力学；数值模拟；蒸发式冷凝器；流态；传热传質；两相流动

ｉｎｄｕｓｕ－ｙ删，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ

Ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｃｉｅｔｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ－ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎａ－ｇｙ―ｓａｖｉｎｇ

ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｃｏｍｍｏｎ

ｖａｒｉｏｔｌｓ ｏｆ ａｉｒ

ｉｎ ＨＶＡＣ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｉｔｙ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ

ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔ烨ｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ

４０％ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｈｅｎ ｍｅｅｔｓ

ｈｉｇｈ－ｐｅａｋ ｏｆ ｔｈｅ

ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔ炉ｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｓｏ

ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ

ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｂｙ ｍｅｔｈｏｄｓ

ｏｆ ｒｅｆｏｒｍ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ

ａｌｗａｙｓ ｈｏｔ ｓｐｏｔｓ．Ａｍｏｎｇ ａｌｌ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｗｉｄｅｌｙｆｏｒ ｉｔｓ ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ８０％ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ、玑ｔｈ ｗａｔｅｒ－ｃｏｏｌｅｄ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ．

Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＰＣ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ Ｗａｓ ｂａｓｅｄ

ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｈａｎｇｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＣＦＤ

ｓｏｆｔｗａｒｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｂｅｃｏｍｅ ｍａｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｗｉｄｅｌｙ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｉｇ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ

ｔｈｅ ｌｅｓｓ ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｏｕｔｓｉｄｅｓｃｏｍｍｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｃｏｓｔ，ｉｓ ｐｌａｙｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ

ｉｎ ｔｈｅｏｒｉｅｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｉｔ ｓｔｉｌｌ ｈａｓ ｓｏｍｅ

ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇ，ＳＯ ｉｔ ｃａｎ’ｔ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｐｌａｃｅ ｉｎ ｓｈｏｒｔ ｔｉｍｅｓ．

Ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｃｏｎｃｅｒｎｓｍｙ ａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｃｕｓｅｓ

ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｆｌｏｗ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｆ

ｔｈｅ ｐｏｐｕｌａｒ

Ｉｎｔｅｒ－ｔｕｂｅ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ａｎｄ ｐｅｒｆ；ｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ

ＣＦＸ／ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉ ｍａｋｅ

ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ａｓ ｍｙ

ｏｂｊｅｃｔ ａｎｄ ａｄｏｐｔ ｔｈｅ

ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎａｌｙｓｉｓ

ｆｌｏｗ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｆ ｉｎｔｅｒ－ｔｕｈｅ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ． Ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈａｓｅ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｔｈｅ

ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ

ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ

ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｅｔｕｐ ａｔ

ｆｕ＇ｓｔ，ｈａｓｃｄ

ｔｈｅ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｈａｎｄａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｅｔｕｐ

ｔｉｍｅ；ｔｈｅｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌｓ

ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ

Ｎ－Ｓ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｎｇ

ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｅｔｕｐ；ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ＆ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ

ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ．

Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ：ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｅｔｕｐ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｈａｎｄ，ｔｈｅｎ

ｆｉｒｓｔｂａｓｅｄ

ｈｅａｔ－Ｕａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｈａｓ

ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，

ｌｏａｄｅｄ ｈｅａｔ＆ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｌｏａｄｂａｓｅｄ

ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｆｌｏｗ

ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ

ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ａｎｄ

ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ

ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．

Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｂｏｖｅ，ＣＦＤ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｔ

ｍａｋｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ

ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｓｔｒｏｎｇ．

Ｍｙ ａｒｔｉｃｌｅ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ

ｇｅｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ

ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆＲｌｌ．ｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，１Ⅳｉｔｈ ａｎ ｅｘｐｌｏｒａｔｏｒｙ

ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｍｙ ａｒｔｉｃｌｅ

ｃｌａｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ＣＦＤ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ；

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ

ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ；，ｉｌｏｗ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ；ｈｅａｔ＆ｎｌａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ；

东南大学学位论文独创性声明

本囚声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，論文中不包含其他人已经发表或撰写

过的研究成果也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工莋的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意

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众所周知以逆卡诺循环为基础的制冷系统由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流机构四大部件组成．

其中，冷凝器是制冷空调系统将热量排出的部件对于系统内部来說，它将气态制冷剂重新液化送入 节流装置使得制冷循环可以循环进行。本文研究的蒸发式冷凝器即是一种十分常见的冷凝设备它 性能比普通风冷式冷凝器优越、制造和设计工艺成熟。其基本原理就是将传统的水冷冷凝器和冷却塔 合二为一从两方面改进了传统的冷凝方式：一、充分利用冷却介质的汽化潜热吸收被冷却介质的热 负荷，在其它条件相同的情况下加大了传热量；二、直接实现冷却水的重复利用大大节约了水资源。 经研究表明Ⅲ位１由于水的汽化潜热是２４５６ｋｊ／ｋｇ，而水在液相状态下温升４－－－－８１２显热茭换量为２５～ ３５ｋｊ／ｋｇ所以蒸发式冷凝器的能耗不超过传统冷凝器的５０９６，水蒸气在挡水板的飘逸率不到０．００１％ 循环水量仅为水冷式冷凝器的５～１５％，在蒸发温度５１２的情况下可以降低冷凝温度３＂－－１１℃，在相 同的蒸发温度下节省壓缩机功耗１０－，．－３０５提高ＣＯＰ值１０％～４０９６。在相同的蒸发温度下节省压缩机功 耗１０～３０％。所以在不可再苼能源日益匮乏的今天在强调建设节约型社会营造绿色环境的今天，对 于蒸发式冷凝器的研究有着重要的现实意义和社会意义

对于蒸發式冷凝器的研究，主要基于两种方法、着重于两大方面

两种方法是：实验法和解析法。目前来看实验法是迄今为止最为“可靠”的研究方法。说其可 靠是指在一定的误差范围和适用条件之内，由实验得出的经验、半经验公式完全可以用于生产实践

之中是可信而直觀的结论；但同时我们必须注意到，实验建立的只是一个粗糙的数学模型我们往

往可以看到，在不同的准则数范围（适用条件）我们必須选用不同的公式公式中的各个通过实验得 出的常系数绝大多数是没有实际的物理意义的，而且最后得出的结果一般只是个集总参数偠通过关 联式来研究微观情况是比较困难的。实验法另外的缺点在于实验方法的选用及实验本身必须谨慎， 否则会导致较大误差；同时實验所需条件也是研究者的一个门槛所幸的是，随着计算机系统的飞速 发展数值模拟技术日益成熟完善，模拟与实验正在成为今天鉯及将来的设计研究人员最有力的武 器。早在数百年前牛顿力学体系的建立、微积分的发明与运用已经为数值模拟奠定了牢固的基础， 菦代关于传热的研究、各种湍流微分方程的建立’使得数值模拟的准确度越来越高，适用范围也越来

越广最重要的是，数值模拟不受外界环境和人为过失的影响它的精确度只取决于选用数学模型、

网格数量以及计算步长，而后两者完全可以通过加强硬件配置来改善

對于蒸发式冷凝器的研究，学术界主要着眼于流动及传热传质流动研究主要针对蒸发器几何结 构、冷却水喷淋密度、空气流速对流态、膜厚的影响。就数值模拟来说虽然以纳维一斯托克斯方程、 表面张力模型为基础的ＣＦＤ能够求解许多两相流动问题，但是流体动力学問题要求较密的网格和较小 的时间步长这些会占用大量的硬件资源，需要大量的时间那么，模型简化就是头等重要的大事 模型往往建立在对单管流态的模拟之上，利用几何对称和近似的周期性完成简化流动模拟结果与实 验结果有着较强的一致性。由单管拓展到多管模拟这并不是简单的叠加。多管模拟主要注重于喷淋 密度及几何尺寸对于膜厚的影响相比于单管，着眼于较为宏观的分析所以模型往往略微粗糙，可

戬假设膜厚为一沿管长分布的常值只受喷淋密度及几何尺寸的影响。由此得蹬的结果完全可以定性 分析流态在喷淋密喥、几何尺寸影响之下的转交也有着较强的可信性。至于传热传质因为不存在 像湍流那样尚未攻克的难题，针对它的数值模拟所需硬件和机时要远小于流动模拟但是由于传热传 质在蒸发式冷凝器热力过程审是与流动耦合的，鼹前单独的模拟岗苓多见ＣＦＤ软件对藕匼计算的技 术支持尚不完善，现在的主要方法或者是将其简化为静态过程或者先计算流动待其结果收敛之后蒋

在豳外，相应的研究开展嘚比较早自从１８８８年降膜蒸发器专利被申请以来，已有大量关于其性

能研究的论文发表Ｙｕｎｇ疆３予１９８０年研究。７液涛頻率、液体毛细波长与流态之闻觞关系并绘出了关 联式；Ｇａｎｉｃ和ＲｏｐｐｏＨ３通过实验研究了Ｒｅ数在１８０时几何结构与流態转换的关系；Ａｒｍｂｒｕｓｔｅｒ和

Ｍｉｔｒｏｖｉｃ墙１则建立丁流态转换的半经验关联式：Ｒｅ＝ＡＧａⅣ‘；Ｄｈｉｒ、Ａｒｍｂｒｕｓｔｅｒ朔ＭｉｔｒｏｖｉｃⅡ１指出了 在不同喷淋密度下，增加或减少喷淋密度对流态转变造成的影响：基予大量实验观察ｌ｜ｕ和Ｊａｃｏｂｉ‘” 提出了更为完善的流态分类：滴状流、柱状流、片状流以及不稳定过渡流，重力、惯性力、粘性力、 表面张力均被纳入基于雷诺数和纛糕略数静关联式中Ｋｉｌｌｉｏｎ帮Ｇａｒｉｍｅｌｌａ臻’剃在２００４年对降膜蒸

发器管外流动进行了数徝模拟，他们使用当时最先进的并行计算系统对单管外部流态的模拟结果与 实验结果哼１褪比较，结论令人信服Ａｄａｍｓ＿耜Ｂｒｏｕｇｔｏｎｎ田率先在１９３６年进嚣了管磬膜系数与流速之阅 关系的实验，并给出了实验关联式Ｅａｍｅｓ、姚ｒｒ和Ｈ．Ｓａｂｉｒｎ＂在１９９５年将之前近６０年内的管外水

的降膜蒸发的传热传质研究情况作了综述和回顾，并综合所有结果进荦亍了理论上的分析Ｒｏｇｅｒｓｕ引则

采用积分法给出了难在发展和完全发震的熟边界层的传热特性。Ｐｅｔｅｒｓｏｎ．Ｄｆ砖１等人侧综述了蒸发換热 设备的数学模型发展过程指出了各个文献间的矛盾和不统一性，在修正Ｐａｒｋ和Ｔｒｅｙｂａｌ的分析方法 基础主建立了蒸发式冷凝器的简单壹麓分析模翌德蓬Ｊ。Ｍｉｔｒｏｖｉｃ骓孵实验研究了水平加热管表匿与管

外水膜的流动与传热过程

国内的研究主要集中在露安交大国家多穗流动实验室以及华南理工大学鲍传热强纯与过程节能实

验室。王小飞、何茂刚、张颖ｎ ５’埔１等人使用Ｆｌｕｅｎｔ软件对管外水膜流动及厚度分布进行了模拟与计

算朱东升、沈家龙、蒋翔、张景卫ｎ卜１∞等人对管外水膜的传热性能与喷淋密喥、迎面风速之间的关 系分别进行了实验和模拟，并给出了‘‘管辨永膜与空气传热受迎面风速影响较大而受喷淋密度影响 较小的一答案，模拟与实验结果偏差不超过１５％谷芳和刘春江憧叫对平板降膜换热情况进行了模拟， 她给崮了褶秀覆主动量及质量源颈酶设定公式对于数值模羧来说有重要意义。卓明胜戤’对板片式蒸 发式冷凝器进行了ＣＨ）数值模拟运用Ｆｌｕｅｎｔ对板面水膜蒸发、板间汽液两相流动特性及组分比例进 行研究。鱼剑琳等人涩１针对管式闻接蒸发冷却器，进行了水平单管外掠流动水膜与横掠空气闻对流 传質的实验测定并得出实验关联式，事实证明水膜流动状况对传质系数有较大影响刘振华、朱群 志等人啪棚１采用层流和紊流两种模型對水平管外降膜蒸发对流换热过程进行了数值模拟，计算结果与 实验结粜比较更接近紊流解。 ｌ３

本文主要着重于运用ＡＮＳＹＳ／ＣＦＸ软件对水平管束蒸发式冷凝器进行动态模拟，讨论在多种几何结

构、不同喷淋密度下膜厚及传热性能的变化最后利用ＣＦＤ软件嘚外部接口，尝试进行二次开发对

ＣＦＤ软件的易用化、便携化进行初步探讨。

主要工作及思路如下： １．以单管为模拟对象利用周期性和对称性建立几何模型，使用ＩＣＩ强Ｉ进行结构化网格划分并设 置边界条件。 ２．建立流动数学模型在前处理软件中合理设定初始条件及流动方程。在多种工况下进行数值模

拟求得流态转换与喷淋密度、迎面风速之间的关系，并用实验关联式进行验证

３．在鋶动稳定之后，进行相变传热传质计算 ４．对于多工况计算进行优化，尝试二次开发

第二章蒸发式冷凝器原理及ＣＦＤ介绍

冷凝器是蒸汽压缩制冷装置中主要换热设备之一，它的作用是将压缩机排出的高温高压制冷工质 的热量传递给冷却介质并使其凝结成液体其运行特性将直接影响制冷装置的性能及运行的经济性。 在制冷工艺中冷凝器的合理设计是提高制冷能效比的一个重要环节。根据冷却流体的鈈同种类冷 凝器可归结为三类：风冷式、水冷式、空气和水联合冷却式。 空冷式冷凝器是以空气作为冷却介质由多组蛇形盘管组成，盤管外部一般加有肋片以增加换热 面积同时空气由风机送入进行强制对流换热。空冷冷凝器最大优点是不需要额外的冷却介质而且结 构較为简单便于安装，所以适用于换热量较小、水资源缺乏的地区目前，它广泛运用于中小型ＣＦＣ 机组但由于空气对流换热系数较尛，约为２４―２８Ｗ／ｍ２?Ｋ为获得同样的制冷量，需压缩机容量增大 ２０９６―３０％造成了设备总成本和运行费用较高。 水冷式冷凝器是以水作为冷却介质由于水的热容量、传热系数以及对流换热系数均远大于空气， 所以水冷冷凝器的冷凝温度要低于空冷式這对于制冷系统来说，减少了运行费用水冷冷凝器用水 量很大，一般采用水循环系统那么冷却水塔等装置是必不可少的。一方面这增加了初投资费用； 另一方面，无论采用壳管式、套管式冷凝器或是冷却塔系统其耗水量还是比较大的。 气一水联合式冷凝器主要包括淋水式和蒸发式前者主要还是靠显热传热，只不过它不是满液流动 换热它由淋水箱、冷凝盘管和集水器组成：冷却水由上淋下，在盘管表面呈膜状流动最后汇集在 集水器中进行循环。此间少部分水自然蒸发带走部分热量。而本文讲述的蒸发式冷凝器则是通过空 气强淛对流加速液膜表面蒸发来传热。与淋水式不同蒸发式冷凝器的冷凝换热量的８０％左右是由 水的气化潜热带走的。由水的气化潜热鈳处略推断蒸发式冷凝器的耗水量只有水冷冷凝器的１％，即 使算上吹散损失、排污损失耗水量也仅为５９６－１０９６Ｌ２Ｂ】。

２．２蒸发式冷凝器的原理

如图２－１水由水泵６经由布液器３喷淋于换热管束４的表面形成水膜，水膜吸收管内制冷剂的 冷凝热量并傳递到水膜与空气的界面发生以相变换热为主的换热过程，强制对流的空气将热量带走 同时带走水蒸气保持空气的相对湿度稳定，确保冷却水蒸发的连续性其余水继续流入集水器５来达

到循环的目的。蒸发式冷凝器装有风机１使得空气进行强制对流加快蒸发速度。洏布液器则尽量紧

贴制冷剂管道以防冷却水飞溅而无法形成完全润湿表面，由此可见管外水膜是重力驱动下的流动，

在以后的ＣＦＤ邊界条件设置里喷淋密度应该表现为流体的质量源（ｍａｓｓ ｓｏｕｒｃｅ）而不是动量源方法

（ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｓｏｕｒｃｅ）。與此同时挡水板２的设置是为了阻挡气流中的水滴。以节省水量

前面已经提及，国内外大量对于水膜流态、传热传质的研究证明喷淋密度、风速、几何结构与

换热系数间有着密切的关系。比如流态呈滴状流时，液膜较薄管壁局部会出现干涸现象，从而使

管外侧热阻加大：而流态呈片状流时．水膜较厚反而使水膜热阻加大，并使水膜温度梯度增加影

第＝章蒸发式挣凝§原理及ｃＦＤ升绍

Ｉ风机２挡水扳３布液系统４冷凝盘管５集水盘６水泵

图２ ｉ蒸发式冷凝器示意

迎面风速较小时，气流在热湿界面的热质交换不够剧烈：而一味增加迎面风速并不能使换热系 数线性上升““，而是使水温趋于稳定由此可见，在不同的工况组合下．蒸发式冷凝器有着不同的性 能表现．而单一的关联式并不能解决所有村题．在这情况下开展数值模拟有着充分的必要性．

２．３计算流体力学（ＣＦＤ）及＾ＮｓＹｓ软件包介绍

任何流体都必须遵循以Ｆ ３个基本定律：０质量守恒定律（ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ，连续性方程） ｏ动量垨恒方程能量守恒方程。通过这些基本定律以及相关的本构方程（方程组）和状态方程流 体的运动、传热能够用一系列偏微分方程（組）或积分方程（组）柬描述，这些方程被称之为控制方

程（ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）随着流体力学的不断发展，梳體的敫学物理模型日趋完普．但由于控制

方程的高度非线性以及流动区域儿何模型的复杂．使得求解精确的解析解成为不可能完成的任务高 速计算机的出现，使得通过数值方法的求解流动数值解成为可能井形成了一门新若的学科：计算流

体力学（Ｃ哪ｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ．ＣＦＩ））。从上世纪７０年代中期开始各个复杂的敷值算法被

归纳起来，一些通用的求解器开始發展８０年代前期，计算机的昔及、对流体流动的进一步认识使之

出现在研究领域一虽然求解过程需要花费巨量的时间随着电子信息科学快速发展，图像图像技术进

一步成熟参数化、可视化的建模过程使得现在的ＣＦＩ）分析模拟过程不像以往那样的专业．井且减少 叻时间和花费．由于以上因煮，ＣＦＤ已经成为业界有力的设计优化工具相比实验，ＣＦＩ）有者较高的“性 价比”而且随着科技发展，其准确度、便捷程度舍得到进一步提升．

２．３．２离散方法综述

在ＣＦＤ中各个控制方程被离散化，使之转化为代数方程组然後计算机算得这些离散的时间／ 空间点上的数值解。这个离散的过程实质上就是用一组有限个离散的点来代替原来连续的空间。目

前较為常见的离散化过程有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法以及格子－－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ

方法瞄１ 有限差分法（ｍｅｔｈｏｄ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，Ｆ叫）是数值解法中最经典的方法它是将求解区

域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域然后将偏微分方程（控制方程）的导数用 代数差商（ａｌｇｅｂｒａｉｃ

ｑｕｏｔｉｅｎｔ）代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组

这种方法发展比较早，比较成熟较多用于求解双曲线和抛物线型问题。用它求解边界条件复杂、尤

其是椭圆型问题鈈如有限元法或有限体积法方便 有限（单）元法（ｍｅｔｈｏｄ

ｅｌｅｍｅｎｔｓ，Ｆ尉）是将一个连续的求解域任意分成适当形状

的許多微小单元并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理（变分或加权余量法）将问题 的控制方程转化为所有单元上的有限え方程，把总体的极值作为各单元极值之和即将局部单元总体 合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组求解该方程组就得到各节點上待求的函数值，对椭圆 型问题有更好的适应性有限元法求解的速度较有限差分法和有限体积法慢，在商用ＣＦＤ软件中应用 并不广泛目前的商用ＣＨ）软件中，ＡＮＳＹＳ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃ采用的是有限元法 有限体积法（ｍｅｔｈｏｄ

ｖｏｌｕｍｅ，ＦⅧ）又称为控制体积法是将计算区域划分为小的子

区域，我们称之为控制体积控制方程在控制体内离散化，并迭代求解就离散方法而訁，有限体积 法可视作有限元法和有限差分法的中间产物有限容积法有诸多的优点，比如：依此建立的离散方程 具有较明确的物理意义：能保持物理现象原有的基本属性；具有很好的守恒性且在小控制容积上仍能 保证守恒性比较常见的ＣＦＤ软件比如ＦＬＵＥＮＴ以及夲文使用的ＡＮＳＹＳ ＣＦＸ就是基于有限体积法的商用 ＣＦＤ软件包。 上述几种方法都必须对整个区域进行离散化用有限个节点来代替连续值。但在边界元法

（Ｂｏｕｎｄａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ

Ｂ尉）中运用了格林函数公式，并使用适当的权函数把空间求解域转换

成面求解域将求解域中的变量与边界条件联系起来。边界元法的最大优点是可以使求解问题的空 间维数降低一阶，从而使計算工作量及所需计算机容量大大减小边界元法推广应用的一个最大限制 是，需要已知所求解偏微分方程的格林函数基本解虽然对不尐偏微分方程这种基本解业已找出，但 对Ｎａｖｉｅｒ―Ｓｔｏｌｅｓ方程这样的非线性偏微分方程至今尚未找到其基本解。 格子一Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法（Ｌａｔｔｉｃｅ－Ｂｏｌｔｚｍａｎ ｍｅｔｈｏｄＬＢＭ）是基于分子运动论的一种模拟流体流动 的数值方法。在上述各种数值方法中把本质上是离散的介质先假定是连续的，在此基础上建立起了

Ｎ－Ｓ方程然后又再把它离散化。在Ｌ地中不洅基于连续介质的假设而是把流体看成是许多只有质

量没有体积的微粒所组成，这些微粒可以向空间若干个方向任意运动通过其质量、动量守恒的原理， 建立起表征质点在给定的时刻位于空间某一个位置附近的概率密度函数再通过统汁的方法来获得质 点微粒的概率密喥分布函数与宏观运动参数问的关系。ＬＢＭ是２０世纪８０年代中期出现并迅速发展起

来的一种新的流体数值模拟方法因其算法简单、计算效率高、并行性好以及能够模拟复杂边界条件 等优点而受到广泛关注，并且已经在众多的领域取得了成功的运用――从简单的层流箌复杂的湍流、

第二章蒸发式冷凝器原理及ＣＦＤ介绍 ２．３．３ ＡＮＳＹＳ

ＡＮＳＹＳ是一家欧洲的开发科学计算软件的公司旗下拥囿ＡＮＳＹＳ ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ、ＣＦＸ、Ｆｌｕｅｎｔ等 许多数值模拟软件。在ＣＦＤ领域Ｆｌｕｅｎｔ和ＣＦＸ都是十分著名的。前者功能强大多用于对多相流、

多组分流以及湍流的模拟，效果出众；而后者前身是ＴＡＣＦＩｏｗ对于类似旋转机械等带囿周期性的流

体模拟是其擅长之处，尤其ＣＦＸ较早地被并入ＡＮＳＹＳ软件系统它的程序接口十分完善，与ＡＮＳＹＳ ＷｏｒｋＢｅｎｃｈ完全无缝连接可以简便地通过ＷｏｒｋＢｅｎｃｈ与ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ模块进行单／双向流一固耦合计 算（Ｏｎｅ／Ｔｗｏ―Ｗａｙ Ｆｌｕｉｄ―Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ＦＳＩ）此外还可以利用ＡＮＳＹＳ ＤｅｓｉｇｎＸｐｌｏｒｅｒ进行 多参数的优化设计，十分方便 ＣＦＸ的主要特点如下：田１ ＣＦＸ采用的网格划分软件是ＩＣＥＭ，它兼容绝大多数常见的ＣＡＤ软件可以导入外部几何模型；它 网格划分十分方便，尤其对于结构网格采用简便实用的“ｂｌｏｃｋ”（区块）方法，可以使許多周期性 的、有一定规律可循的几何模型的网格划分随心所欲对于需加密的部位和曲面边界层，比如Ｙ＋不 再是以往自动划分那样需要不断尝试设定不同的参数不断地试错，而是可以做到整齐划一完全是想 象中的划分样式。拥有先进的隐式耦合计算功能从而可以高精度计算带有激波的复杂流场，剪切层 干扰和、涡旋干扰等问题 集成众多的物理模型，可有效完成多种坐标系下（笛卡儿坐标系、旋轉坐标系）流场模拟、定常与 非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反 应分析、多相流分析、固体与流体祸合传热分析、多孔介质分析等 线性和非线性结构动力学和应力分析，现在已经无缝集成到了ＡＮＳＹＳ ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ仿真环境中使 得刚体和柔体的频率响应和时间历程动力学集成在一起。在一次设置中用户现在能够选择一系列的 力學行为：线性、非线性；完全刚体和完全柔体以及他们的组合。其他特征包括支持简单和复杂的连 接和约束基于几何的自动连接侦测，非线性材料和接触、运动学分析以及与ＣＡＤ系统的相关性 功能强大的用户自定义函数和表达式（ＣＦＸ

Ｌａｎｇｕａｇｅ，ＣＥＬ）ＣＥＬ是一种说明性的编

译语言，可以让用户不借助外挂Ｆｏｒｔｒａｎ子程序而对模拟进行强化ＣＥＬ可以涉及ＣＦＸ内部变量，並 在后处理软件（ＣＦＸ―ＰＯＳＴ）中调用或者ＣＦｘ可以直接调用Ｆｏｒｔｒａｎ程序。

２．３．４ ＡＮＳＹＳ

和ＣＦＸ一样Ｆｌｕｅｎｔ是目前国际上比较流行的商用ＣＦＤ软件，能模拟流动、传热、和化学反应 等物理现象Ｆｌｕｅｎｔ在国防、航空航天、机器制造、汽车、船泊、兵器、电子、铁道、石油天然气、

材料工程等方面都有着广泛的应用。Ｆｌｕｅｎｔ的软件设计基于ＣＦＤ软件群嘚思想从用户需求角度出

发，针对各种复杂流动的物理现象Ｆｌｕｅｎｔ软件采用不同的离散格式和数值方法，开发了适用于各个

领域的流动模拟软件软件之间采用了统一的网络生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别

仅在于应用的背景不同因此大大方便叻用户。由于囊括了Ｆｌｕｅｎｔ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｉｎｔｅｒｎａｔ ｉｏｎａｌ比利时 Ｐｏｌｙｆｌｏｗ和Ｆｌｕｅｎｔ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（ＦＤＩ）的全部技术力量（前者是公认的在粘弹性和聚合物

流动模拟方面占领先地位的公司，而后者是基于有限元方法ＣＦＤ软件方面领先的公司）因此Ｆｌｕｅｎｔ 软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动：层流（包括各種非牛顿流模型）、紊流（包括最

先进的紊流模型）、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等对每一种物理问题的流动特点，有 適合它的数值解法用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面

达到最佳Ｆｌｕｅｎｔ将不同领域嘚计算软件组合起来，成为ＣＦＤ计算机软件群软件之间可以方便地进

行数值交换，并采用统一的前、后处理工具这就省却了科研工莋者在计算方法、编程、前后处理等 方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上

ＣＦＤ工作步驟及ＦＬＵＥＮＴ和ＣＦＸ的使用流程

采用ＣＦＤ对流体机械数值模拟一般有以下几步： 建立反映流动问题本质的数学物理模型，并选择匼适的求解方程具举例说，流动是否定常、是 否可压缩、流速是否超临界、单相或多相、单一组分或多组分、湍流模型等等反映在ＣＦＤ软件里就 是一个个具体的选项，每个选项的改变都意味着Ｎ－Ｓ方程组中某一项被改写了不恰当的选择可能只 是影响精度，也有可能会导致结果不收敛所以对必须各个模型都有所了解。 适当简化模型前面已经说过所做的模拟决定了所需的网格密度和时间步长，而網格密度和时间 步长直接决定了硬件配置和所需机时即使在计算机硬件飞速发展的今天，即使只是模拟少量水的流 动假如采用直接数徝模拟（Ｄｉｒｅｃｔ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＤＮＳ）那也是成本很高的。所以利用

模拟对象的一些几何物理特性进行简化是非常必偠的 建模并离散化，设定边界条件和初始条件这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界条件 的输入，控制参数的设定等这是整个工作中花时间最多的部分．由于求解的问题比较复杂，比如Ｎ－Ｓ 方程就是一个十分复杂的非线性方程数值求解方法在理论上不是絕对完善的，需要通过实验加以验 证正是从这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验基本流程见图２－２和图２－３：

ＣＦＸ一般工作鋶程ＣＦＤ一般工作流程

图２－２ ＣＦＸ及ＣＦＤ一般工作流程

第二章蒸发式冷凝器原理及ＣＦＤ介绍

图２―３ Ｆｌｕｅｎｔ工作流程

第彡章蒸发式冷凝器单管的流体动力学模拟

３．１管间流动的微观分析

在蒸发式冲凝器冷却水的典型、一

流动中－水从朴液孔以一定的初速＾１

度流出．均匀地疆盖在第一捧冷凝 管道上部。水以膜状形态沿着管壁 流下并在管道下部聚集。当水幕 积到一定程度的时候?会因为质量 的增加使得表面张力无法承受水的
重量从而使水膜表面拉伸、破裂

形成水滴滴至下摊管道，对下捧管 道上的承膜形成冲击这个过程周 期循环，形成了水膜的整体流动．

圈３－ｌ管间液清流动示意

３．Ｉ．ｉ液清驻点的形成过程

渡滴的形成一种是和瑞利不稳定性（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ）嗍相关的现象环状液膜存在着内 在的不稳定性．并会在无外羿干扰情况下。自发形成波动．当渡膜不断增厚聚集于管道的底部．这 种波动加剧了，于是液蒲驻点（ｄｒｏｐｌｅｔ

ｓｉｔｅｓ）…’开始形成液滴驻点间距达箌所谓的

临界波长（ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）…１，重力开始起主导作甩井放大了液膜本身的不稳定性．当液

体聚集在环状渡膜的底部，重力拉伸液膜直至渍滴形成． 如图３－２．在初始状态由内在不稳定性形成了的液膜表面的波动（固３―２ａ―ｅ）ｔ而波动又以正弦 形式沿营长方向传递：当液体聚积到一定程度，正弦渡停止传递井形成了水滴的形状；然后驻点上 的水滴往下运動，使得驻点两侧的｛戎膜又回归到了同一厚度（圈３－２９－ｈ）

图３－２液体驻点形成过程

第！章燕擞式冷麓嚣单管模型的流体动仂学模揖

多种囡素影响着驻点的空间分布。首先是来自于上部管道稚瓣的撞击撞击明显造成了局部液体 的溢出，并在撞击点下方形成新嘚驻点其次，当液滴从一个驻点脱离表面张力使得这个驻点继续 存在。还有就是液体沿管长的轴向运动、内在不稳定性、毛细蒸发过程””、被清的撞击都会形成表 面波动．这种轴向的波动都会直接造成液体局部溢出．从而形成驻点．

当渣滴不断的增大直至达到临界體积．如图３ｈ３ ａ＿ｇ所示．在这种情况下。涟滴开始脱离－脱

离速度不断加快这个时候重力的影响变得越来越大于环抗膜上的表面張力，使得离开驻点的ｊ丧体多 于进入驻点的渣体并导致了液滴被拉长，形成液漓头部和液柱．如图３―３ｈ至３―３Ⅲ液柱变得越來 越细。由圈可知当被柱被拉长时．它近似于一个圆柱体。直到它破裂之前它的两端（连接液膜部 分和连接液滴的部分）直径差别不夶。一些研究表明…’．藏体中加入某些活性剂来改变表面张力能 使得掖柱提前破裂或延陡．这为改变流态的研究提供了新的思路．

图３－３液滴的脱离过程

３．１．３液滴的撞击和波动

虽然存在白发的波动情况，但是这种波动的能量无法达到液滴滴落所需的能量然而來自上方管 道的液滴的冲击以及同一管道上液体的滴落，加剧了波动．井促使藏滴下落 图３－４和图３―５清楚的显示了撞击过程的细節。当液滴撞击下方管道时ｔ立刻形成了马鞍形波形
（圈３－５ ｃ―ｆ）同时撞击产生的被动也影响到了液柱（图３－４ ｄ－ｇ）。马鞍状渡动传递的速度要快于液

清下落的速度．并且在马鞍边缘产生了波峰当波动传播开来后，波速就开始变慢．这是由于液体粘 性的缘故根据Ｋｉｌｌｉｏｎ和Ｇａｒｉｍｅｌｌａ懈。的研究结论驻点一般在撞击后３岫ｓ内会形成液滴．而且 相邻两个驻点的发展井不┅致，但是在本文的研究过程中保持严格的对称性是简化模型的必要条件。 由于相邻的马鞍状波形的相互作用减缓了波动的传递（圈３－５ｅ）并在驻点附近形成环状波纹（削３ Ｅ―Ｊ）。从图３－５ｌ可以看出液滴撞击形成的轴向运动的距离是管径的鼓倍．

］盆 ｊ孟． ｊ孟 ■▲

圈３－４ ｉ直滴撞击过程（轴向）

圈３－６被滴撞击过程（侧向）

３．１．４液滴拉伸产生的扰动

被滴的脱离也会通过形成波动的方式对液膜造成一定的扰动。如图３－６所示当液柱断裂的时 候，余下的部分形成了一个被拉长了的三角形形状（ｄ－ｅ）在這个三角形顶端，相界面曲辜程大导致 表面张力与主体表面张力的不平衡然后造成了这个三角形液体的快速收缩：一次反弹（ｅ―ｇ）。这个 过程也会形成波动一只不过与３

２所论述的波动是相反的而且这个波动能量要远小于撞击形成的

波动。从ｒｊ可以看到这个波动對｝直膜以及驻点造成的影响．

第三章蒸发式冷凝器单管模型的流体动力学模拟

３．２管间流态宏观分析

３．２．１流量（Ｒｅ数／Ｇａ數）的影响
在不同的流量下管间流动分别呈滴状流、柱状流和片状流。当流率（Ｒｅ）较小时流态呈滴状

流动；当流率增加，流态变為连续的循环柱状流其流柱位置在管道底部是固定的。假如进一步增加

流率流柱会合并成为连续的片状流体。在片状流动情况下减尐流率，会使流态不稳定最终会使 其变回柱状流动，直至滴状流流量较小时是滴状流，如图３－７ａ；流量较大时呈片状流如图３－７ｃ： 中间状态是柱状流，如图３－７ｂ

１９８０年，Ｙｕｎｇ建立了滴状流转化为柱状流的半经验公式：

其中入＝毛厕，ｒ是喷淋密度。是表面张力毛是毛细长度Ｅ ２√古，ｄｐ是主液滴

直径实验证明“＝３毛。
式（１）将喷淋密度（单位长度流率）与柱状鋶动波长关联起来 １９９４年Ａｒｍｂｒｕｓｔｅｒ和Ｍｉ ｔｒｏｖｉｃ建立了流态模型：

式（２）给出了管间流动模型的雷诺数关联式，并通过实验给出了水的Ａ值这为以后的研究奠定

了基础。结合Ｙｕｎｇ公式（１）可以得出：
Ｒｅ＝０．２４４．ＧａｌＡ

式（３）在滴一柱转换过程中与实验结果较为吻合。

表１各个无量纲参数的物理意义 无量纲参数 Ｒｅ＝２ｒ／ｌＪ

物理意义 惯性力与粘性力之仳表征流量对流态的影响

重力与粘性力之比的４次方，表征重力的影响 表征管道直径的影响 Ｓ是管道间距ｄ是管径，表征管道几何布置的影响

ａｉｒＶａｉｒｄｏｕｔ／Ｏ

惯性力与表面张力之比表征气流速度的影响

表２流态转变关联式 流态转换 滴状流一滴／柱过渡流動 滴／柱过渡流动一柱状流 柱状流一柱／片过渡流动 柱／片过渡流动一片状流 片状流一柱／片过渡流动 柱／片过渡流动一柱状流 柱状流一滴／柱过渡流动 滴／柱过渡流动一滴状流 关联式

Ｒｅ＝０．１２１Ｇａｏ－２８４ Ｒｅ＝０．１５９Ｇａｏ?２８２ Ｒｅ＝１．８８０Ｇａｏ?２２２ Ｒｅ＝２．０８８Ｇａｏ－２２０ Ｒｅ＝１－００４Ｇａｏ－２５０ Ｒｅ＝１．０６４Ｇａｏ?２４４ Ｒｅ＝０．０５７Ｇａｏ?３２１ Ｒｅ＝０．０４５Ｇａｏ?３２１
８．５ ６．６ ４．３ ４．２ ３．９ ３．８ ８．４ ６．２

（４） （５） （６） （７） （８） （９） （１０） （１１）

。注：ＲＭＳ偏｝－ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ Ｒｅｓｉｄｕａｌ均方根残差

图３－８雷诺数与流态的关系

表１列出叻相关的无量纲参数。在本文中流量可由以下式子求得：

Ｒｅ＝了４Ｆ，ｑｍ＝半ｕ＝啬

Ｏ．０５ １６８ ０．０３３ ０．０６ ２０２ ０．０４０２ Ｏ．０７ ２３６ ０．０４７２

其中ｑ．是补液器单孔流量。ｋｇ?Ｓ～；Ｕ是单侧流速ｍ／ｓ；

“。蒸发管外径衄：Ｌ单孔边长，衄；

表３流速ｕ、Ｒｅ、单侧喷淋密度ｒ的对应关系 Ｕ（ⅢＳ－１）

Ｒｅ ０．０４ １３５ Ｏ．０８ ２６９ ０．０５３８ Ｏ．０９ ３０３ ０．０６０６ Ｏ．１ ３３６ ０．０６８

而Ｈｕ和Ｊａｃｏｂｉ于１９９６年通过实验得出了各个物理参数与流态转换的关联式根據Ｈｕ和Ｊａｃｏｂｉ 的实验ｍ．流量对于流态的转变有着至关重要的作用。表２列出了所有流态及过渡状态与Ｒｅ数之间的

关系表３則列出了Ｒｅ数、喷淋密度及流速之间的关系。通过式（４）一式（１２）我们几乎拥有了用 于和模拟数据对比的实验数据。结合以上關联式我们可以得出用于模拟的几何、物理参数，这样就

大大简化了建模过程图３―８是结合式４一式１１作出的，从两个转变方向闡明了Ｒｅ和流态的关系

第三章蒸发式冷凝器单管模型的流体动力学模拟

３．２．２气流、几何尺寸的影响

根据Ｈｏｎｄａ（１９９１）∞１的研究，气液同向流动的情况下流态与Ｒｅ的关系与图３－８有着很大的一 致性。但是对于Ｇａ较大的情况（比如水Ｇａ＝５３０），滴一柱转换所需Ｒｅ数要比图３－８所示大２５％柱一 片转换要大１４％，同样的情形出现在Ｗｅ＞ｌ的时候但是对于逆向鋶动，没有相应的实验进行关联但 是明显可以看出，较大的气流或较小的管间距会对流动形成扰动从而使Ｒｅ数增加，但同时会使流態 转换所需的Ｒｅ也变大具体的关联图形尚需进一步研究。 由以上两段定性分析可以看出Ｒｅ和Ｇ８用来表征流态的关键参数。对于高Ｒｅ数意味着惯性力 占主导地位，见表１当Ｒｅ―ａｏ时，流态是片状流当Ｇａｏ一一∞时，流体重力占主导作用流态是滴 状鋶。而式（８）则说明了这一点：当Ｒｅ／Ｇａｏ－笛≈１时片状流的破裂取决于粘性力和重力的对比。 此外我们很容易就能得出：表面张力Ｆ。一Ｏ毛惯性力Ｆ。＝ｌＩ Ｖ毛两者的长度量纲均为毛

细长度。我们可以将毛细长度转化为速度量纲：Ｖ―ｕ／毛那么Ｇａ－（≥）２，这时Ｇａ就可以表征

表面张力与重力之比了

３．３控制方程、离散格式及耦合方法嘲¨蚓啪１

流体的运动涌足质量守恒、动量守恒以及能量守恒的规律。在午屯贞沉体范畴内这些规律被归纳 为纳维一斯托克斯方程。 连续性微分方程：ａ口ｐｔ＋ｖ?（ｐ ｕ）＝０ 动量微分方程：１８ ｐＦＵ＋Ｖ?（ｐ ｕ＠ｕ）＝－Ｖｐ＋Ｖ?Ｔ＋ｓＭ （１３） （１４）

其中应力张量Ｔ＝ＩＩ（ｖｕ＋（Ｖｕ）Ｔ一詈５

能量微分方程：丛告半一警＋Ｖ?（ｐ Ｕｈｈｔ）＝Ｖ?（Ｘ ＶＴ）＋Ｖ?（ｕ?．ｒ）＋ｕ?ＳＭ＋ｓＥ（１５）

其中ｋ。是滞止焓ｈｈｏ。＝ｈ＋０．５Ｕ２而Ｖ?（Ｕ?．【）代表粘性应力功，Ｕ?ＳＭ代表动量源方法做功
当流体低速流动时能量方程可用以下方法推導： 将动量方程（１４）点乘Ｕ得

ＵＫ）＝一ｕ?Ｖｐ＋Ｕ?（Ｖ?Ｔ）＋ｕ?ＳＭ

再将能量方程（１５）减去式（１６）得：

最终式（１７）可簡化为：

Ｕｈ）＝可?（Ｘ ＶＴ）＋Ｕ?Ｖｐ＋Ｔ：ＶＵ＋ＳＥ

其中Ｔ：Ｖｕ恒负，表征粘度扩散；ｈ２ｅ学ｅ是内能；

掣＋Ｖ?（ｐ Ｕｅ）＝Ｖ?（入Ｄ＋ｐ?如＂：ＶＵ＋ＳＥ

３．３．２重力和浮力模型
对于重力和浮力的计算，是在动量方程（１４）右侧加上重力／浮力源项ｓ－

ｓＦ（Ｐ―Ｐ他ｆ）?ｇ

在本文的模拟中密度差Ｐ―Ｐ ｒｅｆ可以视作只受温度影响，于是浮力模型选用布辛纳斯克

（Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ）模型－在这个模型里

ｒｅｆｌ３（Ｔ－Ｔｒｅｆ），其中Ｂ＝了１瓦０ｐ Ｉｐ

３．３．３表面张力模型

在ＣＦＤ中，表面张仂往往采用Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ

Ｆｏｒｃｅ模型ｍ１在这个模型里，将表面张力视

作体积力而不是表面力如图３―９。相ａ和Ｂ可將Ｑ视作液相，１３视作汽相 表面张力：Ｆ。口＝厶９ 其中ｆ口＝一ｏ

６。Ｂ＝ｌＶｒＢ Ｉ

上式中，Ｏ是表面张力系数ｎ。口是甴主相指向第二相的表面向量（由两侧的体积分数梯度计 算而得）Ｖ。是界面处的哈密顿算子ｘ－－Ｖ?ｎ。Ｂ是表面曲率式（２１）右侧两项分别代表了表面张力的

法向和切向分量，法向力取决于界面曲率切向力取决于表面张力系数。而系数６Ｂ又被称为界面的 ｄｅｌｔａ函数，当表面张力求解域不在相界面上其值取０。

对于本二维模型来说由于液膜不存在干涸现象，那么对于管壁附着角ｅ應该取为０（图３－９所示）

以保持计算稳定；对于三维模拟，将壁面附着角设为Ｏ将会无法形成体积分数的连续等值面所以将 其设為１５度；表面张力及曲率计算均基于此条件之下。

第三章蒸发式冷凝器单管模型的流体动力学模拟

多相流方程是基于单相方程之上的對于任意相（ａ相Ｂ相Ｙ相，或更多）来说存在一个体积 分数ｒ。使得ａ相微元体积Ｖ。＝ｒＶ。那么微元密度和平均密度也就確定了：ｐ。＝ｒＰ，

ｐｍ＝∑Ｐｒ。总压也确定了：Ｐｔｏｔ－－Ｐｓｔａｔ＋∑；ｒ。Ｐｕ毛。

对于Ｎ－Ｓ方程只需将各個相的参数代入即可：

连续性方程：旦％｝＋Ｖ?（ｒ。ｐｕ。）＝ＳＭｓ＋∑ｇ：ｌ ｒ。Ｂ

一ｒＶｐ＋Ｖ?（ｒ。ｐ（ｖｕ。－｛－（ｖｕ）Ｔ））＋∑２：１（ｒ ４。－口Ｕｐ―ｒ言ｕ。）＋ｓＭ＋Ｍ。（２３）

体积分数守恒：∑謦：１ｒ＝１

其中ｓＭ。昰由外部体积力作用下的动量源方法：Ｍ是由其他相作用于ａ相的相间力：ｒ：Ｂ ｕＢ―ｒ考。ｕ

表示了由相间传质导致的动量传递：ＳＭｓ。可用米表示自定义质量源；ｒＢ表示Ｂ相对ａ相的质量流 率。

Ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎ ＣＦ）【）

界面捕捉其关键在于网格内楿界面的重构和相界面附近对流算法（ｄｏｎｏｒ－ａｃｃｅｐｔｏｒ格式）。由

于单元是数值模拟的最小单位对于早期的数值方法，單元内部不能包含相界面一也就是说体积分数

只能是１或者Ｏ这些早期的解决方案在引文［３９］中总结过了。而现在最常用的方法是ＶＯＦ和ＬＥＶＥＬ 方法本文使用前者。这是一种适用于结构或非结构化网格的分段线性化的方法ｍ１

，：∥ ’≮、？７．

图３―１０ ＶＯＦ方法描述

图３－１０描绘了分段线性化”的具体含义。格子内的数字代表第一相所占网格的体积比例实线 圆代表相的实际幾何边界，虚线代表通过线性重构实现的相界面

大量模拟的事实证明，对于维持穿越任意结构网格的相界面ＹＯＵＮＧ的方法即使和現在一些新发 展的数值方法相比，有着突出的精确性但同时，ＶＯＦ方法尚无法解决“漂浮流体”（ｆｌｏｔｓａｍ

的问题这个现象往往出现在流体薄膜破裂的时候。更为专业的解释为：界面捕捉算法的局限导致的 隔离于主流体之外的，体积（或面积）小于网格尺寸嘚流体团这个现象并不违反连续性方程或质量

守恒定律，只不过影响了模拟的结果的分辨率最后对于数据的处理可能会使最终结果与悝论解产生

误差（一般会使结果变小）。在以往一些模拟中有时能见到这种现象；通过减少时间步长有时能够减 少这种现象，但并不是絕对有效但总的来说，ＶＯＦ方法造成的ｆｌｏｔｓａｍ 造成的误差还是在可以接受的范围之内。

ｊｅｔｓａｍ”现象对结果

ＡＮＳＹＳ采用的数值差分离散、场耦合、瞬时项以及对流项的处理方法

ＡＮＳＹＳ使用基于控制体的方法将微分形式控制方程转换为方便求解的代数方程。该方法可简要 表达如下：每一个控制体用网格来表示各个变量以离散值的形式保存在单元中，控制方程能够通过积 分各個控制体来得到 控制方程的离散：

面 图３－１１单位深度（Ｚ向）的单元示意

图３－１１描述了一个单位深度的网格（－－维网格），圖中的阴影部分用于代表控制体的表面由图 可知，控制体被节点分割为４个网格单元所有要求解的变量以及流体的物性参数被储存在節点上。

根据高斯公式各个控制方程（式１３－式１５）由体积分转化为面积分，假如控制体不随时间变化则

可将对时间的微分提至積分符号外面：

未，伽＋Ｕｊｄｎｊｐ 示Ｊ ｄｖ＋Ｊ

未，ｐＵｉｄＶ ４－ｆ Ｐ叫ｊｄｒＩｊ＝一ｐＵｊｄｎｊ ４＝，‰嚣＋罄”Ｊｆ跚ｄｑ

亲厂川Ｖ＋ｐ巾Ｕｊｄｑ＝，‰∞ｄｎｊ小∥

第三章蒸发式冷凝器单管模型的流体动力学模拟

式中Ｖ和分别代表体积分和面积分區域咖ｊ代表积分面外法向向量笛卡儿分量。体积分表示了

源或各个变量的累积面积分表示通量的累积。式中体积分代表了所有的源項面积分代表所有的通 量。

图３－１２离散网格示意 求解差分方程的第一步是建立一个耦合线性系统方程它是通过将微分方程各项转換为离散格式。 如图３―１２所示各个体积项在每个区域（ｓｅｃｔｏｒ）按照一定的比值进行离散，然后将这些区域值积分； 而面通量项在积分点（位于网格各个面的中心ｉｐｎ）被离散，最后再被积分 在ＣＦＤ里，各种离散方法都是基于将连续函数级数展开比洳泰勒展开式。离散式的精度取决于 级数展开式的截断部分（高阶无穷小部分）在ＣＦＤ里最直观的因素就是网格分布或时间步长。所鉯 通过调整网格和时间步长，能够很好的改善求解精度但同时这也增加了计算机系统的计算负荷，而 且高阶格式会减低系统鲁棒性． 通过上述过程将积分式进一步转换如下：

Ｖ群）＋－＇．：（ｐ ＵｉＶｎｊ）旷ｏ

旷ｐｎｊ）ｉｐ＋∑‰俄＋韵啊＋可Ｖｌ

ＶＰ 》啦斧竹竺 ＋∑ｉｐ吣ｐ＝∑ｉｐ‰∞Ｖｎ一巾Ｖ

其中，Ｖ是控制体；△ｔ是时间步长；Ｖｎｊ是积分面的外法向向量；下标ｉｐ表示积分点的估值或者是

控制体内所有积分点的和值：上标。表示参考上个时间步：血＝（Ｐ ＵｊＶｒｌｊ）ｉｐ表示面上的通量离散值

ＣＦＸ采鼡非交错网格，所以对于输运方程来说控制体都是一致的。原始的非交错网格会导致压 力场被独立求解为了避免这种情况，ＣＸＦ采鼡了一种简单的速度压力耦合方法每个积分点上加载

了这么一个动量项：ｕＩ．ｉｐ

２－ｊ，Ｉｐ＋‘．?ｐ曙Ｉ．ｉｐ一詈ｌ¨ｐ－－Ｃｉｐｆｉｐ（ｕＩ．ｉｐ―ｕ：：ｔｐ），

其中‰＝ｉ毒丢，ｄ?ｐ＝一兰Ｃｉｐ＝去，Ａ是动量方程中心系数的近似值：上划线表礻积分点临近定

点的平均值上标０表示前一时间步的值： 根据原始非交错网格的离散方式，它仅仅是将临近节点的速度值平均后赋予积汾点之上那么，

其将被高阶的、受网格分布影响的压力变量放大尤其当代入连续方程时，式‰曙Ｉｉｐ一舞Ｉｉｐ）成为

压力的从变量这一项与Ａ Ｘ３成比例，是３阶精度的它又被称为压力重分配项。它的值通常小于定 点速度的平均值尤其在网格尺寸较小的情况丅。某些情况下压力重分配项可能会产生速度值的震 荡，这往往是因为模型中存在较大的体积力Ｓ?比如浮力或多孔介质问的曳力，为叻平衡这些体积力

导致了压力梯度较大?为了减少这种情况压力重分配项可以改写为：ｌｉｐ（（詈一ｓＩ）ｌｉｐ－－（詈一ｓｉ）ｌｉｐ）

对于控制体不随时间变化的过程来说，ＣＦＸ是这样离散第ｎ个时间步的：

而在欧拉一阶向后差分格式中离散如下：

未卜巾ｄＶ≈－Ｖ她竺筹 未卜删≈Ｖ黼

这是个稳定的、没有时间步长限制的一阶全隐式格式，对于某些梯度急剧变化的情况来说二阶 欧拉格式会避免数值发散情况：

Ｉ（ｐ巾）ｎ＋１／２＝（ｐ∞ｏ＋专（（ｐ巾）一（ｐ巾）ｏｏ） 【（ｐ巾）ｎ一１／ｚ＝（ｐ巾）＋专（（ｐ巾）┅（ｐ巾）ｏ）

将上式代入瞬时项中得：

Ｊｒ ｐ巾ｄＶ≈Ｖ瓦１（＿３（ｐ巾）一２（ｐ妒＋互１（ｐ巾）∞）

这个式子同样是稳定的、沒有时间步长限制的，而且拥有二阶精度但是其不存在界限的特性会 产生数值摆动。而对于类似体积分数等依赖于边界的量来说需要┅个经过改进的二阶向后欧拉格式。

网格处理（形状函数）： 上面说过每个控制体的变量值都必须被离散到网格的节点上才能通过线性方程进行求解。在ＣＦｘ

中是通过形状函数来处理这样处理节点值和原值的关系的并能够使离散过程适应不同的网格形状。

对于变量巾巾＝∑曾ｎ Ｎｉ巾ｉ；

第三章蒸发式冷凝器单管模型的流体动力学模拟

其中Ｎｉ表示节点ｉ的形状函数，并且∑酱ｎ Ｎｉ＝１；而电是巾在节点ｉ的值；

｛“‘一’可以看到形状函数在ＣＦＸ中是依据参数坐标系的线性方程。同时形状函数也用于计算诸

如坐标、面法姠量等几何参量，因为将形状函数转化为：Ｙ＝∑罂血Ｎｉ巾ｙｉ即可表示坐标轴ｙ。

对于结构化网格比如六面体，其三次线性化形狀函数如下所示：

图３－１３形状函数示意

ｆ＂ＮＩ（ｓ乞ｕ）＝（１一ｓ）（１一ｔ）（１一ｕ） Ｎ２（ｓ，ｔｕ）＝ｓ（１一ｔ）（１一ｕ） ｌ Ｎ３（ｓ，乞ｕ）＝ｓｔ（１一ｕ） ｌ Ｎ４（ｓ乞ｕ）＝（１一ｓ）ｔ（１一ｕ） Ｊ ＮＳ（ｓ，匕ｕ）＝（１一ｓ）（１一ｔ）ｕ ｌ Ｎ６（ｓｔ，ｕ）＝ｓ（１一ｔ）ｕ ｌ Ｎ７（ｓ匕ｕ）＝Ｓｔｕ Ｉ Ｌ Ｎ８（ｓ，Ｌｕ）＝（１一ｓ）ｔｕ 耗散项： 根据標准的有限单元处理方法所有耗散项会通过形状函数被离散到网格空间节点。比如在ｘ 坐标上某个积分点ｉｐ－

孰＝Ｆ塑ＯＸ ｌｈｉｐ

将所有积分点求和，并通过Ｊａｃｏｂ转换：
ａＮ ａｘ ａＮ Ｏｙ ａＮ Ｏｚ －１

叙一如叙一秕以一讥 眇一ｆ｛宝眇一挑订一钆 阮一如钇一譏钇一赴

形状函数梯度能够在每个实际积分点或者面与单元边线相交的积分点处进行计算

压力梯度项： 动量方程中的压力梯度在面上的積分能用以下表达式进行描述：（ＰＡｎｉｐ）Ｉｐ。

而Ｐｔ的值需通过形状函数进行计算：Ｒｐ＝∑ⅡＮｎ（Ｓｉｐ，ｔｉｐｔｌｉｐ）Ｐｎ

对流项的离散： 对流项指的是速度（或分量）与参量（可以是速度或温度）导数的乘积，具有强烈的非线性特征 物理意义表征对流通量? 对流项中变量巾ｕｐ必须依据节点巾的值进行近似计算。变量巾ｉｐ＝巾ｕｐ＋

Ｂ Ｖ巾?△ｔ其中巾ｕｐ上游节点值：ｔ是上遊节点指向ｉｐ节点的向量；对于Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ格式Ｖ巾是

迎风节点的节点梯度。Ｖ巾和１３取决于选用何种格式对於一阶迎风来说，Ｂ＝Ｏ 一阶迎风格式很稳定，但是有时候会造成离散误差扩散如下图，当采用迎风格式时某些时候 得变量梯度会變得无穷大：

图３－１４一阶迎风格式的误差 当１３取值Ｏ和１之间，Ｖ巾被设为临近节点的平均梯度时被称之为混合格式（Ｓｐｅｃｉｆｙ Ｂｌｅｎｄ）， 其离散误差扩散会减小Ｂ Ｖ巾一脚的值称之为数值对流关联式（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ 可以视作应用于一阶迎风格式中的“反耗散”项。 当Ｂ＝１时迎风格式变为２阶精度，减少了梯度的骤然变化但在求解快速变化的变量时会产 生数值波动，如下圖

Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）

图３―１５二阶迎风格式示意

当Ｂ＝１，Ｖ巾为所求解的单元梯度时巾ｉｐ＝∑ｎ Ｎｎ（ｓｉｐ，ｔｉｐＵｉｐ）巾ｎ，被称之为中心差分格式?此

格式也是２阶精度的其同时拥有一个显著的缺点：解耦运算过程中存在不少问题。

当Ｂ局部盡可能接近ｌ?并且避免数值波动９巾设为上游节点控制体梯度，这样的边界设置方法 来自于Ｂａｒｔｈ和Ｊｅｓｐｅｒｓｏｎ旧１．这個被称为高分辨率（Ｈｉｇｈ

Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ）的格式由于其只在

第三章蒹麓式狰凝墨单管筷型的流体动力学模拟

間断点娃采用一阶运算．所队在精度和稳定度都是相对可靠的。在此格式下矢量值会接各个分量独

３．４流杏研究思路及研究对象

本着甴整体判局部的研究方法，本文先从蒸发式冷凝器水平昔柬整体出发首先研究多捧管柬在 喷淋密度、风速、管捧尺寸的影响下的水膜厚喥变化．

／，、、一藤鞠７ 出￡兰芒

圄３―１６计算域示意图 蒸发式冷凝嚣有着各种各样的型号：按有无翅片可分为管翅式和臂柬式；接管柬捧列可分为顺捧 及叉捧：接管道形状可分为圆管、椭圆管、扭曲管：按空气流向可分为顺流、逆流：还有蒸发式冷凝 器的填科也会影响换热性能。基于本文的研究目的选用管束、叉捧、顺／逆流、圆管蒸发式玲凝器作

根据许莉侧等人的研究表踢．同一时间沿营长方姠不同位置处粮膜厚度分布与同一位置妊渍膜厚 度分布一样，呈相同的随机分布本文的研究，是基于漉动稳定后的渡膜厚度平均值ｔ至於液膜随机 波动并不影响整体的换热及流动状况．所以作为必要的简化，对于“喷淋密度、迎面风速、几何尺 寸对膜厚的影响”研究唍全可以采用平面多相流动进行模拟。本文将设补液孔中心为基点取用部 分截面作为二维模拟对象． 水平管蒸发式冷凝器内部模型如图３―１６所示，管束以婷让三角瑶形式寸非列；臂径Ｄ统一为１５．９哪： 管束上方正对管道截面圆圆心是朴液孔；顶层管距补液嚣距离Ｈ为２曲；另据研究发现．补液孔孔径 ｄ是影响流动的重要因素之一．本文境一取为３呻．计算区域为图中的阴影部分。对于管甸距Ｌ分别 取２８ｍ、３２珊和３６叫三种情况． 对于计算域矩形米说：左右两侧是对称性边界条件；顶部两侧备１ ５曲处设为速度入口：项蔀其 他部分先设为墙体，可以减少初期计算产生的回扼现象．当计算稳定后将其设为气流速度出口或入口 以模拟逆、顺流；底部设为压力絀口这是因为在减小水的流速时会引起气流回菇．自由出潍则会阻

止回流．而引起计算域压力下降影响结果精度．

３．５网格划分及前處理

网格划分主要是结构化与非结构化之分，它们之间的区别并不在于四面体／六面体或三角形／四边 形而是阿格区域内所有的内部点嘟具有相同的毗邻单元，即阿格剖分区域内的不同内点相连的网格

圈３ １８结构化网格与非结构化同格的区别

耐丁非结构化网格来说由於它多为三角形或四面体．所以容易布置．有着优秀的适应性，能够 在各种复杂的几何结构中生成呵格井且能够十分方便的进行修改，仳如加密（ｒｅｆｉｎｅ）或粗化（ｃｏａｒｓｅ） 但是就计算精度来说结构化网格是不二之选。在有限体积法／差分法中颁将中心徝离散至项点之 上，那么单元边线问的正交性会显并影响刘计算的精度从直观上看，如果边线与变量梯度同向那 么误差是星小的。由此可见结构化网格在计算准确度上是有优势的。对于网格选择就取班于划分网 格的难易与精度要求的折衷点了对于本模拟来说，存在著薄｛瘦膜流动所以需要在管壁及降膜处形

成边界层正交加密网格。而且本模型结构简单规则所以生成结构化网格比较台适。

如要描繪液滴在重力与表面张力联台作用Ｆ形成、破裂过程．必须在空间尺度与时间步长上有所

限制根据Ｅｇｇｅｒｓ”ｌ和Ｐｅｒｅｇｒｉｎ”１的公式 ｔｏ＝（一ｐ／。）ｉｌ。＝ｐ

以及液滴直径２衄可得水的时间常数及空间尺度为４ｍｓ、１４０Ａ（约在Ｏ叭肿级别）。

述数据画出的网格详幽见图３ １１可“看到，在管壁其液柱所处位置网格进行了加密．网格横向尺

第三章蒹发式冷凝８单管模型嘚流体动力学模扭

寸接近０ Ｏｌｗ级别．空气域则在０．１衄级别。对于三种管间距分别生成三组模型，阏格数分别为

１８万、２０万囷２２万

在计算过程中，出于节省机时、加快收敛考虑时问步长人为控制在札０１－４１ａｓ之间，并且手动调

节ｐｈｙｓｌｃｓ ｔｉｍｅｓｃａ］ｅ（相当于Ｆｌｕｅｎｔ的欠松弛因子）在０ ０卜０ １之间
３．６．１表面张力的影响
前面已经介绍了滴状流态形成的機理，那么用平面流动模拟滴一柱流态是否可行呢下Ｉ生｝清晰的表 明了管间距３２Ｍ，单孔流速在０ ０５ａ／ｓ时滴状流动的情况甴于滴状流主要受问距、重力、表面张力
影响，对于纵向沿管长方向的液膜流动不是特别敏感所以片面模拟能很好的处理滴一柱流动。泹对于 片状流片面模拟则完全不适用了。

从图３―２０中可以看到液滴从生成到断裂的过程．这也是判断滴状流动的依据．当流动处於稳定

之后，液柱会保持基本不变的形状不随时间而变化。同时．从第１０图可以注意到液滴下部呈扁平

状，这不完全符台事实（可參考｜垄『３―３ｋ）这也是由于平面模拟造成的。由于边界条件设置顶面为ＷＡＬＬ． 两侧为对称所以整个流体域对于空气来说相當于只有一个出口的封闭区域，液膜表面的粘性使空气

运动起来（嘲３－１３）

正是由于粘性和表面张力的作用是空气由静止状态运动起来，并在整个封ｃｊｊ的空气域形成了一个

局部涡流气体的动量与液膜相互作用．使得液膜流动变缓、变形。而在实际情况中无论鋶态处于

滴状或柱状流，在沿管纵向渡膜并不连续气流的运动完全是三维的，不可能像二维流动那样被封ｃｊｊ

在图３一１９中涡流，空气的横向冲击使得液滴底部变得扁平使模拟结果偏离了实际情况。但是

这并不影响液柱断裂对于流动稳定后的结果影响甚微。

空氣涡流的扰动在数值上会造成出口同流（山口边界法向谜度矢量指向求解域内部），流忐稳定 时间大幅度滞后甚至结果发散经过多次試葬和观察，可以将出口适当挪远使涡流半径增加．这样能 使涡流边界速度减小虽然整个求解区域拉长后破坏了模醋的周期性。但是这樣对于本流动区域内的 液膜形成役有影响．而且消除了出口同流现象也是空气涡流对于液膜的影响减至晟小。

图３ １９管何滴状流态示意（Ｌ＝３２珊ｖ＝０ ０５ｍ／ｓ．空气静止）

３．６．２入流雷诺数（喷淋密度）的影响

根据表２所列经验关联式，流态转变所需雷諾数应该在１７９―１８８之阃利用式１２―１和１２―２计算 可得蒲柱一柱状流动转变的流速在ｎ０４７ｍ／ｓ。为了得出流态转变嘚临界值取管问距２８＝ｓ，速度 ０．０４－０．Ｉ＝／ｓ（相差０．００５ｍ／ｓ为一个计算工况）气灌暇流空气入口流速ｎ ０５＝／ｓ计算流态转变及管壁 周向液膜厚度分布．如图３－２０． 流态转变依据为计算３０ｓ内，定期观察第二管排液体流动情况存在液柱断裂为滴状流动：管壁 液膜厚度（取演相体积分数０．５扯的等值线为气液交界面）小于０．２ｍ为壁面干枯。以上两者是实际 应用中需要避免的情况也不在本敬模拟范围之内。 计算稳定后使用ｔｅｃｐｌｏｔ读取数据（图３－２１） 并在管道圆心处作１５度为分割的半径线角度定

义为与水平轴线的夹角．角度范围为一７５度一７５度， 半径线与体积分数等值线相交求得液膜厚度

囝３―２０管间距２８ｍ．液体流速０ ０７＝／ｓ稳定流态

图３－２ｉ藏膜厚度等值线

表５入口流速与周向液膜的关系（Ｌ＝２８蛐），ｉ０ｍｍ

}

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