水平单管外液膜厚度的CFD模拟.pdf

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1、198化工机械2012年水平单管外液膜厚度的CFD模拟+孙凤丹“许松林(天津大学化工学院)摘要利用CFD中的VOF模型研究了在不同进料高度、质量流量、管道转速和气流条件下单管外液体流动状况，获得了管外液膜厚度分布图，讨论了各种因素对液膜厚度的影响情况。结果表明．进料高度对液膜厚度基本无影响；在一定流量范围内，膜厚度随着流量的增加而增加；管道转速和气流对液膜厚度的影响具有一定的局限性；平均液膜厚度变化率随着各种因素变化率变化较缓慢。将模拟分析得出的结论与文献结果或经验公式进行比较，发现吻合性较好。关键词水平单管液膜厚度计算流体力学中圈分类号TQ055．8+1文献标识码A文章

2、编号0254-6094(2012)02旬198-05在重力作用下，液体沿固体壁面以薄层形式流动形成薄膜流，由于它具有小流量、小温差以及高传热传质系数等优点，在化工、石油和海水淡化中得到广泛地应用。液膜的厚度是反映液体流动状态和影响传热传质的重要因素，例如在蒸发过程中，管子表面液胰太薄可能会破段出现干斑甚至烧毁；而管子表面液膜过厚会严重影响传热传质的效率，因此对液膜厚度的研究具有重要的应用价值，并为液膜在工程领域的广泛应用奠定了基础∽3。NusseltW∞’研究了垂直和倾斜板上降膜冷凝，获得了液膜厚度的经典公式：6=2¨r—7_二兰气—_，并推广到水平管外的液膜冷凝PLLP

3、L—PG，gslo啦过程，认为液膜在上半周和下半周具有对称性。RogersJTMo用积分方法、HomsonAKG呤1用测微仪测定均得到液膜分布对称性的结论；Kocamus-tafaoguHariG和ChenIY¨’用有限差分法、GstoehlD等"1用非接触光学法都认为液膜分布并不完全对称，Nusselt经验公式计算结果下半周偏高。RogersJT和GoindiSS¨’利用电阻法测量了大管径层流流动的液膜厚度。另外，电容法"1、光学测量法¨叽”1也应用于平板和圆管的液膜厚度测量。随着计算流体力学模拟技术的充分发展，CFD模拟广泛地应用于水平管外液膜厚度’和流动状态的研究。

4、笔者针对水平单管外液体流动和液膜厚度的变化，利用CFD模拟的方式获得不同角度的液膜厚度分布，具体讨论了进料高度、流量、管道转速以及气流等因素对液膜厚度的影响，分析模拟结果获得不同情况下液膜厚度随周角的分布平均液膜厚度变化率情况，从而得到这些因素对水平管外液膜厚度的影响规律。1模拟方案1_1物理模型和网格划分水平单管的物理模型，如图1所示，粗线是管t国家自然科学基金资助项目(20976118)。十·孙凤丹，女，1986年9月生。硕士研究生。天津市，300072。!图1圆管的物理模型第39卷第2期化工机械199道壁面，细线是沿壁面流动的流体，周角卢为管周方向与垂直轴线夹角。为

5、加快求解速度，利用圆管的对称性，采用Gambit自动生成的非结构三角形网格，并对液相和气相交界面进行了局部加密，网格总数为8518。根据物理模型建立的网格模型和边界条件¨”，如图2所示。上边左侧有长度为0．15cm的质量流量入I：1，右侧是速度入口；左侧竖直边是对称边界条件，曲面是固体壁面；下边和右侧都是压力出口。为方便跟踪气液界面，在管壁外用边界层技术建立了第1层为0．08mm、增长比例为1．01、行数为30的边界层。质量流量入口碰入口对称边界压力出口侧面压力出口图2半圆的网格模型和边界条件1．2Fluent参数设置求解器选用了Fluent6．3流体力学软件包。计算采用

6、离散隐式求解器；时间属性为非定常流动；多相流基本模型中选用VOF模型；操作环境考虑重力加速度的影响；动量方程选用一阶迎风格式；压力项选用PRESTO算法；压力一速度耦合方程的求解选用PISO算法；时间步长为0．2ms。气液界面追踪方法选用精度较高的Geo—Recon．struct界面重构技术。2数值模拟结果及分析通过模拟获得不同进料高度、流量、圆管转速和气流条件下的水平管外液体的流动状况，将Fluent模拟结果进行后处理得到液膜厚度分布图，可直观地看出各种参数对其影响。根据流体绕水平管外表面流动状态和效果的不同及不同位置处液膜厚度的差异，将管周的流动区域分为自由降落区、喷

7、射区、液膜形成区、液膜完全形成区和脱离区。2．1模拟可靠性验证为验证CFD模拟的准确性和模拟方案的可行性，按文献[13]在质量流量f=0．06ks／(m·s)和F=O．23ks／(m·s)，直径20、30、40mm的实验条件下进行模拟计算。要达到实验时的稳定状态，模拟只有在收敛的情况下才具有稳定性，而收敛性不能简单看残差图，还应该监测某些代表性的流动变量(图3)是否符合质量守恒定律。该条件下平均液膜厚度的分布如图4所示，并与CFD模拟结果相比较，二者基本吻合。O．600．55io．50交o．45懿0．4，0霹0．30牛O．25