湿空气近冷壁面结霜特性研究

发布时间：2020-05-13 05:16

【摘要】：湿空气中水蒸气在冷壁面附近冻结成小冰粒后在冷壁面沉积形成霜层的过程称为湿空气近冷壁面结霜现象。自然界和工程应用领域中广泛存在的结霜现象是一个涉及流体流动、传热传质以及相变的复杂物理过程。多数情况,结霜会影响工程设备的运行特性并造成损失。尤其是在航空航天领域,设备表面与周围环境之间存在较大温差(大于100K),设备在大温差工况下运转会发生快速结霜现象。以预冷器为例,霜层的存在严重影响其换热系数及湿空气侧压降。同时,该结霜过程发生时间较短(小于3min),设备运行中无法进行除霜,结霜现象会使设备发生传热失效,甚至造成灾难性事故。因此,此种设备上结霜机理的研究以及结霜过程的预测对设备设计具有重要的意义。大温差环境湿空气结霜方式主要包括湿空气壁面结霜和湿空气近冷壁面结霜两部分,该过程不同于普通的小温差结霜方式。在目前的研究成果中,关于大温差环境湿空气结霜过程的研究还不十分完善。因此,本文从宏观和微观两个角度分析湿空气近冷壁面结霜过程,该结霜过程主要与冰粒形成、冰粒生长和冰粒在冷壁面沉积有关。首先,基于相变理论和冰粒形成过程,建立修正的焓法格子Boltzmann相变模型,通过与焓法格子Boltzmann相变模型进行对比,证明了修正模型可以更好地用来描述涉及流体流动的液滴冻结过程,随后分别模拟冷空间内悬浮液滴以及下落液滴的冻结过程,得到了液滴内部温度分布、液滴冻结状态、液滴冻结参数及其影响因素。其次,从冰粒生长过程出发,构造改进的多组分焓法格子Boltzmann相变模型,在验证模型正确性后,利用该模型研究湿空气流中悬浮冰粒生长过程,获得了冰粒生长形状和平均生长速度及其影响因素。最后,基于雪堆积现象和气固两相流理论,分析冰粒沉积过程,利用LBM-LGA冰粒沉积模型分别模拟冰粒在单排管束和叉排管束的沉积过程,阐述了冰粒初始位置、冰粒直径以及管束排列方式对冰粒运动轨迹和沉积位置的影响。基于湿空气近冷壁面结霜机理以及大温差环境湿空气结霜方式,将改进的多组分焓法格子Boltzmann相变模型与LBM-LGA冰粒沉积模型耦合,构建了大温差环境湿空气结霜计算平台。通过与实验结果进行对比,验证了结霜计算平台的正确性。随后,模拟了湿空气流经极低温叉排管束结霜过程,并将得到的模拟结果与使用LBM-LGA冰粒沉积模型模拟相同工况冰粒群在叉排管束沉积过程得到的模拟结果进行对比,说明了大温差环境湿空气结霜过程的主要结霜方式。最终,利用该结霜计算平台模拟湿空气流经极低温管束结霜过程,得到了管束结霜工况和换热特性,对该过程进行变参数研究,分析了结构参数以及热力学参数对结霜工况和换热特性的影响。
【图文】：

结霜,湿空气,方式,预冷器

图１．１湿空气的三种结霜方式逡逑Ｆｉｇｌ．ｌ邋Ｔｈｒｅｅ邋ｆｒｏｓｔｉｎｇ邋ｗａｙｓ邋ｏｆ邋ｍｏｉｓｔ邋ａｉｒ逡逑湿空气结霜现象普遍存在于制冷、低温存储、空气调节、航空航天等领域ｔＺ握具体结霜过程以及合理解释结霜机理对于工程应用来说具有十分重要的年来，随着航空航天事业的不断进步与发展，对于结霜现象的研宄又有了空航天设备表面与周围环境之间温差较大（大于１００Ｋ），多数情况设备会在下运转并发生快速结霜现象。以预冷器为例，主流气体所含水蒸气的结霜现过程中一个较为严重的问题Ｗ。结霜现象的存在会导致预冷器主流压力损交换量降低等危害，甚至引起传热失效，更有甚者还会在低空加速阶段故。扩大预冷器管路间距虽然可以控制主流压力损失增大，但仍存在热交换及预冷器尺寸增加等问题。过去有学者进行了大量关于热交换器结霜现象多以冷冻和空调用热交换器为研究对象，主要用来解决小温差长时间结霜问１所示。根据前面介绍的结霜方式可知，这与预冷器大温差短时间结霜现象同。在目前的研宄成果中，关于大温差环境湿空气结霜过程的研究十分有

冰粒,水滴,同相,成核

偏振光观测了过冷水结冰形成的冰晶结构。１９８０年，Ａｎｄｅｒｓｏｎ等人１３２１利用高速立体摄逡逑像机以及电动尼康Ｆ照相机观测温度范围在－５０°Ｃ到＋１７°Ｃ的膨胀云室中水蒸气的同相成逡逑核过程，得到了大量悬浮于空气中的小液滴与小冰粒图像，如图１．４所示，得出了冰粒逡逑形成过程主要包括气相凝结成液滴和液滴均匀冻结成冰粒两个阶段的结论。１９９９年，，逡逑Ｋｒａｍｅｒ？等人［３３］利用氦氖激光器散射光测得单个悬浮液滴冻结过程的散射图样，并使用逡逑经典米氏理论分析液滴散射图样，最终得到了过冷水的均匀形核率。２００４年，Ｈｉｎｄｍａｒｓｈ逡逑等人［３￣利用核磁共振成像技术观测液滴冻结过程，得到了液滴冻结参数的变化规律。逡逑２０１２年，Ｌ６ｐｅｚ和人ｖｉｌａ［３５１利用超声雾化器研宄了由水滴冻结成的冰粒结构。逡逑ＢＨｕＳＨＨＩ逡逑ＨＵＨ逡逑图１．４同相成核形成的水滴与冰粒［３２］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｗａｔｅｒ邋ｄｒｏｐｌｅｔｓ邋ａｎｄ邋ｉｃｅ邋ｐａｒｔｉｃｌｅｓ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｈｏｍｏｇｅｎｅ
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB61

【参考文献】