烧结型多孔管管内流动沸腾传热数值模拟.pdf

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1、104化工机械2011正烧结型多孔管管内流动沸腾传热数值模拟‘韩坤1事+刘阿龙1彭东辉1孙定芳1王经2(1．上海化工研究院；2．上海交通大学)摘要建立了烧结型表面多孔管多孔层的理论模型，应用Fluent软件对去离子水在烧结型表面多孔管和光滑管竖直管内的流动沸腾进行数值模拟，得到了不同流速下的气相体积分布云图和压力场云图，并利用场协同原理分析了管内的速度、温度场。结果表明，烧结型表面多孔管具有良好的强化沸腾传热性能。同时并未大幅度增加管内压力降。此外还分析了不同体积流速对沸腾汽化量的影响，研究表明，对于同一管型。管内流速越小。汽化量越大

2、。关键词烧结型多孔管流动沸腾传热数值模拟中图分类号TQ051．6文献标识码A文章编号0254-6094(2011)01-0104-06符号说明C、D——规定的常数矩阵；h——热焓，J／kg；_，——多孔介质热惯量，J；k——多孔介质的有效热传导系数，W／(m2·K)；P——压力，Pa；S——方程源项；r——温度，K；a——多孔介质的渗透性系数，m2／s；．I‘——粘度，Pa·8；口——速度，m／s；P——密度，kg／m3；妒——多孔介质孔隙率；下标：f——流体；8——固体；上标：h——热焓。多孔表面管是上个世纪60年代末发展起来的一种

3、换热管，对沸腾换热有高效强化作用，它不仅能在小温差下保持核态沸腾，具有高的临界热流密度，而且具有良好的抗垢能力¨_1。目前关于多孔管的换热性能，虽然已经进行了大量的实验研究‘3’“，但是对于传热机理的认识尚不清楚，针对多孔管管内介质流动沸腾的数值计算研究也很少。李祥东”1等利用双流体模型重点修正了界面面积浓度和气泡挣脱直径的计算式，模拟了液氮在竖直圆管内的流动沸腾过程，其结果与实验数据基本吻合；熊少武¨1等对水平管外沸腾强化换热进行了数值模拟，得出横纹槽管外侧能够很好的强化沸腾传热，并分析了流量及热流密度对横纹槽管外传热系数的影响；高

4、原一1等对制冷剂在水平光滑管内蒸发进行了数值计算。这些都对管内沸腾进行了研究，但却难以直接在烧结型表面多孔管上进行类似研究。基于此，笔者针对烧结型多孔管建立了二维非稳态多相封闭方程，并采用通用FLUENT6．3版本软件作为数值求解工具，对比计算了在多孔管和光滑管的竖直流道内液态水的流动沸腾传热过程，获得了相关的计算参数，具有一定的指导价值。1多孔层模型及控制方程1．1多孔层模型烧结型表面多孔管的数值计算研究很少，一是由于多孔层难以建模，二是多孔层内传热理论方程难以描述，笔者引入多孔介质模型来解决。多孔介质一1是指多孔固体骨架构成的孔隙

5、空间·上海市经委重大装备专项(ZX08058)和上海市科委节能减排项目(09dzl203200)。¨韩坤，男．1983年1月生，助理工程师。上海市，200062。第38卷第l期化工机械105中充满单项或多项介质。通过这个模型，多孔层内的热传导问题便可描述。它符合介质和流体流动之间的热平衡假设。1．1．1多孔介质的动量方程多孑L介质动量方程具有附加的动量源项。该源项由两部分组成，一是粘性损失项，一是内部损失项，即：，3，I、st一(，邑D艄+J善c寺I叶。o)(1)对于简单的均匀多孔介质：st一(等¨cz丁1⋯q)(2)式中Ot——渗透

6、性；C厂内部阻力因子，其中D、C分别为对角阵l／a和C：，其他项为零。1．1．2多孔介质中能馈方程的处理在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固体区域的热惯量为：—三(却fhf+(1一咖)p．h．)+V·【i(pfhf+P)】=V·【七VT一(∑Ill。．『。)+(T·矗)】+s?U■I1．2控制方程Fluent软件中并未有计算沸腾相变的模型，通过Fluent自带的用户自定义函数UDF调用编写的c语言脚本程序来定义并计算，沸腾换热的UDF程序主要包括液相向气相转移的质量、气相向液相转移的质蟹以及因相变而传递的潜热3个

7、部分。沸腾汽化过程属多项流范畴，采用VOF模型计算沸腾产生的汽液两相。计算过程为非稳态。2模拟计算过程2．1模型结构烧结型表面多孔管模型内径D=20ram，长度L=50mm，管内壁烧结型多孔层厚度艿=O·2mm，图l烧结表面多孔管Gamibit建模图形孔隙率占=0．6。由于几何实体模型具有轴对称性，因此可建立二维平面计算域以减少模拟计算量。为了便于分析烧结型表面多孔管的优势，同时建立了相同尺寸的光滑管模型。2．2网格划分模拟计算时热量由管内壁面传入流体，并在内壁面处生成气泡，故此附近区域是研究的重点，网格需细化。如图l所示为烧结型表面

8、多孔管模型的网格划分，由于多孑L层在模拟计算时归为流体区域进行计算，故亦需对其进行网格划分并进行细化。模型计算域划分为5400个大小不等的网格。图2为光滑管模型的网格划分示意。计算域共有4500个网格。2．3操作及边界条