蒸汽流动与凝结仿真模型研究

作     者：谷振杰 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛若军

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：饱和蒸汽 层流膜状凝结 水平管 

摘      要：针对表面式换热器壳侧的实际物理过程,对于饱和蒸汽以一定的来流速度竖直向下垂直掠过水平管并在温度较低的管道外壁表面发生的层流膜状凝结,本文基于普朗特单相流体边界层理论和惠特曼经典气-液双膜理论,在垂直于水平管轴向的截面上建立了关于饱和蒸汽层流膜状凝结的二维数值求解模型。本文分析了干饱和蒸汽掠过单根水平冷却管发生层流膜状凝结问题的简化、建模过程,最终得到了二维数值求解模型。模型中,凝结液膜层流体的控制方程组包括质量、动量和能量方程,蒸汽边界层蒸汽的控制方程组包括质量方程和动量方程。在参考拉普拉斯对单相流体边界层问题的级数求解以及Deyi Shang对饱和蒸汽在水平壁面上部发生层流膜状凝结的相似分析过程的基础上,文中利用矩阵求解方程组的原理,对使用泰勒展开进行离散的凝结液体和蒸汽边界层蒸汽的偏微分控制方程组进行了处理,最终获得了凝结液膜层和蒸汽边界层内流体的速度分布、凝结液膜内流体的温度分布。在此基础上获得了饱和蒸汽掠过水平管发生层流膜状凝结过程中的局部凝结液膜厚度、对流换热系数和努塞尔数,以及从上部滞止点到计算终止时饱和蒸汽在水平管外壁面发生层流膜状凝结的平均液膜厚度、对流换热系数和努塞尔数的求解方法。论文采用沿管壁外表面圆周方向的正交随体坐标系,对流动蒸汽掠过水平单管的层流膜状凝结过程进行了求解,分析了蒸汽凝结过程中外壁面附近两相流体的流动、换热特性。本文对饱和蒸汽在水平冷却管外的层流膜状凝结进行了敏感性分析,研究了蒸汽主流饱和温度T、水平冷却管直径D、蒸汽主流来流速度U以及饱和蒸汽温度与水平冷却管外壁面温度之差ΔT等因素对饱和蒸汽层流凝结的影响。