矩形微通道内蒸气冷凝过程的计算流体力学分析

作     者：Hoyam Mustafa Abdelrahim Ibrahim 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：栗永利

授予年度：2020年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：微化工技术 换热器 矩形微通道 冷凝 CFD 多相流 VOF方法 

摘      要：近年来,微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道,对微通道内流体的传热传质过程研究具有重要意义。水蒸气蒸发和凝结过程在许多工程应用中是很重要的,例如火力发电厂、冷却系统、沸水反应堆等。本文通过使用CFD计算流体动力学软件进行数值模拟,研究了垂直矩形铜质微通道换热器中流量变化对换热器流动换热特性的影响,VOF方法是一种界面跟踪方法,适用于具有气液界面的流动,在离散网格的尺度上可以完全分辨。根据文献调研,本文是第一个研究微通道中流量变化对微通道换热器的影响的工作。本文采用计算流体动力学(CFD)方法,利用设计建模器创建几何体,并对三维几何体进行网格划分,采用VOF方法对矩形微通道换热器内的流体流动和传热行为进行了数值模拟,并对模型的瞬态响应进行了研究,得到了在流量变化下传热速率、温度、速度和压力分布等计算结果,分析了改变流道尺寸和改变入口速度对系统性能的影响。研究结果表明,减小通道的宽度和高度或减小入口速度都能增加冷凝量,从而增加总换热量。然而,可能存在的弊端为微通道会被凝结水阻塞,这将导致总传热率下降。在本文的实验中,当通道宽度为200微米,高度为100微米,长度为1厘米时,得到了最佳的换热率。