蒸汽横掠降膜流动水平管束的两相流动过程研究
管束间的气液两相流动作为管壳式换热设备中的常见现象，广泛存在于能源动力、海水淡化、石油化工和蒸发制冷等领域。水平管降膜蒸发具有在低喷淋密度、小温差蒸发条件下高传热系数的优点，是最有前景的换热技术之一。蒸汽横掠降膜流动水平管束时，两相流动过程的深入研究能够对相关换热设备的设计优化提供关键性作用。国内外对降膜蒸发的传热进行了较全面的研究，但对于降膜蒸发两相流动过程，尤其是管外蒸汽横掠降膜流动水平管束的两相动力学特性的研究，还很少见。本文基于实验观察、理论分析和数值模拟的研究方法，对蒸汽横掠降膜流动水平管束的两相流动过程进行系统、深入的研究。 针对蒸汽横掠降膜流动水平管束的两相流动过程，设计了测量流动阻力和观测两相流动的大型实验台。实验研究了蒸汽质量流速范围为0.31-1.24 kg/(m2·s)、进口压力分别为12-31 kPa（对应饱和温度为50-70℃）、液体的喷淋密度范围为0.02-0.08 kg/(m·s)等条件下，蒸汽流经管束后的压降数据;定量分析了蒸汽质量流速、饱和温度、喷淋密度对流动阻力的影响。选择正三角形排列和转角正方形排列两种管束结构，分析了管束排列方式对流动阻力的影响。从液体流速、气液两相的接触面积、液体在管间的流动流态等方面入手，分析了流动阻力随着喷淋密度的增加而升高的变化规律。提出能预测蒸汽横掠降膜流动水平管束时流动阻力的新数学模型关系式，关系式中添加的降膜雷诺数ReΓ体现了降膜流动对流动阻力的影响，新关系式能准确计算和定量分析喷淋密度、饱和温度等参数对流动阻力的影响。基于实验数据，拟合了关系式中各个相应的常数。应用新关系式，编程计算了蒸汽横掠降膜管束时流动阻力所造成的温差损失，分析其随饱和温度、喷淋密度、蒸汽流量及管列数的变化规律，揭示了进口处饱和温度对温差损失的影响比对阻力影响更显著的规律。在研究了温差损失变化规律的基础上，讨论了能保证温差损失不超过给定值条件下，管束结构参数和其它运行参数的关系。 选择蒸发器中广泛应用的转角正方形排列管束为物理模型，建立了二维不可压缩层流计算模型，采用流体体积函数方法，同时结合管间含气率数据，初始化水平管外液膜厚度和液滴直径，数值模拟水平管外液体和气体相互作用下的两相流动特性。选取进出口的压降值作为对比参数与大量实验数据作比较，验证了此方法在小喷淋密度条件下的有效性。展示并分析了计算域内压力和速度的分布，揭示了管束间气液两相流动阻力的产生机理。讨论了不同喷淋密度下，液膜厚度、液滴数量及大小对速度和压力分布造成的影响。发现计算区域内，下部区域的压力值高于上部区域，且最小压力分布在液滴附近的右下侧区域，并指出压力分布的不均会造成液滴在下落过程中的变形。 通过观测实验，分析蒸汽横掠降膜流动水平管束时气液两相的流动过程，总结了管间液滴或液柱在下落过程中受水平气流影响下偏移特性的变化规律。通过理论分析和公式推导提出了描述液滴或液柱偏移特性的数学模型关系式。计算并分析了喷淋密度、蒸汽流速、饱和温度等因素对液滴或液柱偏移距离的影响。定义了气体临界流速，以用于深入剖析不同喷淋密度下蒸汽横掠降膜流动水平管时气液两相的流动特性，指出了气体临界流速随温度的升高而减小，随喷淋密度的增加而增大的变化规律。分析了滴状流和柱状流下气体临界流速与其它结构和运行参数的关系，从受力分析的角度揭示了作降膜流动的液体受水平气流作用时的运动机理。
降膜蒸发;两相流动;数值模拟;温差损失;受力分析
大连理工大学
博士
热能工程
沈胜强
2015
中文
O359.1
107
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）