含不凝气的竖直管内蒸汽冷凝数值模拟研究

作     者：顾成勇 

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：2016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：冷凝 不凝气 SFM模型 两相流流型 传热传质 

摘      要：在核能发电、海水淡化、石化和制冷等工业领域中普遍存在含有不凝气的蒸汽冷凝现象。由于不凝气对冷凝传热的显著恶化效应,建立合理数学模型从而深入研究不凝气对冷凝传热的影响机理,成为蒸汽冷凝研究的热点之一。基于气液两相流的控制方程,建立了含不凝气的竖直管内蒸汽冷凝机理模型,模型具有如下特点：考虑了气液两相之间的热力不平衡;包含蒸汽一不凝气混合气体中的不凝气组分质量守恒控制方程;以空隙率为判断依据,计算了环形流、过渡流和泡状流三种流型;采用滞膜模型(SFM)计算气一液界面处不凝气对传热传质的影响,使用由不同流型决定的封闭关系式来计算气—液界面处热量、质量和动量传递。采用Fortran语言编写计算程序,在与实验数据对比验证模型的准确性后,对内径为14mm竖直管内含不凝气的饱和蒸汽冷凝过程进行了数值模拟研究,定量揭示不凝气影响冷凝传热的内在机理。模拟结果显示：SFM模型结合气液两相流双流体模型的计算结果与实验数据具有良好的吻合性,验证了本模型能够较准确的模拟竖直管内各个两相流流型的的传热和传质过程。当入口蒸汽中不凝气质量浓度从0.001增加到0.05时,蒸汽冷凝率降低约50-70%;冷凝气液界面处的热力不平衡随入口蒸汽中不凝气质量浓度的增加而减小,汽液两相间传热温差降低,相变传热驱动力减小;含不凝气的蒸汽冷凝同时受液相侧和气相侧的传热热阻以及气相侧传质阻力的影响,传热热阻和传质阻力都随不凝气质量浓度的增大而增大;气相侧传热包括冷凝相变传热和对流显热传热,当不凝气质量浓度从0.1%增加到5%E时,对流显热传热占气相侧传热量的比例从0.002%显著增加到0.3%;增大入口蒸汽和不凝气混合气体流速,可以减弱不凝气对冷凝传热的恶化影响,气体流速的这种补偿效应在不凝气浓度较高时更为明显,当入口不凝气质量浓度为0.05时,气相流速从9m/s增大到11.2m/s,蒸汽冷凝率提高约20%。建立的数学模型和数值分析对开发高效换热设备具有重要的指导作用。