基于VOF法的横管降膜蒸发传热特性的数值分析

作     者：张晓红 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨洛鹏

授予年度：2015年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：横管降膜蒸发 数值分析 VOF 热边界层 传热特性 

摘      要：低温多效横管外降膜蒸发技术被广泛应用于海水淡化、化工冶炼、石油蒸馏和制冷等行业,它具有传热温差小、低温传热性能优良、热效率高和维护费用低等优点。在不同运行工况下,低温多效蒸馏设备表现出的传热性能不同,说明了横管降膜蒸发技术具有特殊性和复杂性。本文通过对横管外降膜流动和蒸发传热的数值研究,将流动与传热进行结合,深入探讨液膜内传热特性的变化规律及其影响因素。本文采用ANSYS FLUENT 14.5商用CFD流体分析软件,采用Volume of Fluid (VOF)方法对二维的单根横管外降膜流动蒸发模型进行数值模拟,研究了不同入口边界条件下液膜的流动和传热特性,并结合存在相变的传质过程,分析了不同入口温度和入口Re数条件下的液膜厚度、液膜内速度场、热边界层发展、传热系数和液膜内传热方式等的变化规律。并与前人的数值模拟与实验结果进行对比,取得了较好的一致性。本文的物理模型为管径为25.4mm的单根横管,喷淋高度为5mm,壁面过热度维持在2K,Re数范围为600-1250,属层流和层流向湍流过渡范围。模拟得到了液膜厚度、液膜内的速度场、壁面切应力和传热系数的分布情况。结果表明,横管外液膜最薄位置随入口Re数的增大有向下移动的趋势。液膜内切向速度最大值位于90度。壁面剪切力和重力分力作用随着横管圆周角度的增大呈现先增大后减小的趋势。横管顶部液膜内法向速度的绝对值最大,并出现小速度循环流动。入口温度越低,入口Re数越大,热发展区覆盖的角度越大。横管顶部传热系数最高,之后缓慢下降至趋于稳定,至管子底部略有回升。横管顶部液膜内的对流传热强度最大,表明液体的冲击作用强化了对流传热强度。经本文模拟发现,层流及层流向湍流过渡范围内,Re数的增加对传热性能的提升并不明显,液膜内的法向速度和循环流动,即液膜的冲击区和液膜的波动程度,是提升对流传热强度的关键。