纯蒸气及含不凝气蒸气冷凝的数值研究

发布时间：2017-03-25 12:11

  本文关键词：纯蒸气及含不凝气蒸气冷凝的数值研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：冷凝是许多工程系统中的一个重要过程,如热管散热器、核电站非能动安全壳冷却系统(PCCS)、海水露点蒸发淡化技术、天然气烟气余热冷凝回收技术及各类能源化工动力系统中。对冷凝过程的深入认识,于强化传热、热安全、余热回收等领域有着重要意义。 本文基于Fluent对纯水蒸气及含不凝空气的混合气体冷凝换热进行数值模拟研究。气液两相流模拟采用VOF方法,水蒸气在不凝空气中的输运过程采用组分输运模型。第一章详细介绍了研究背景、冷凝过程、冷凝或蒸发相变的研究现状。第二章建立了冷凝换热数值模型。基于气体分子动力学推导出相变系数模型。相变的源项通过用户自定义函数(UDF)添加到相应方程中。借助混合气体物性参数的参考资料,结合本文设计工况,确定了各参数物性的取值。混合气体密度选用理想气体状态方程求解,其余物性采用经验公式或通过查表多项式拟合计算,各项物性参数均通过UDF设置。 第三章对纯水蒸气表面冷凝和直接接触气泡冷凝过程进行了数值模拟。通过计算三个经典问题验证了本文模型的可行性和正确性。研究表明,对于含波纹的膜状冷凝,重力减小会使液膜增厚,换热变差；表面张力和接触角增大,都会使液膜波动增强,换热得到强化。水蒸气气泡冷凝上升过程中的变形和速度与M数,Eo数和Re数相关。对于较大的气泡,其冷凝变形运动过程更复杂,且冷凝后期的破碎使冷凝加速；气泡存在期和初始直径几乎呈正比关系。 第四章数值研究了含不凝空气在竖直平板和水平圆管内的混合气体冷凝过程。数值结果表明,少量不凝空气对水蒸气对流冷凝的影响并不十分明显；随不凝空气质量分数的增加,对流冷凝换热明显下降；含少量不凝空气的混合气体对流冷凝,忽略液膜影响时壁面换热系数约有8%升高；水蒸气-空气混合气体流速升高对对流冷凝换热系数的提升低于纯对流换热。圆管内冷凝换热约占总传热的89%-91%,而纯对流换热约占9%～11%；冷凝抽吸作用使纯对流换热强化约100%-200%。
【关键词】：冷凝相变 不凝性气体 对流冷缴 VOF
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 冷凝简介13-18
• 1.2.1 纯蒸气冷凝13-16
• 1.2.2 含不凝性气体的蒸气冷凝16-18
• 1.3 研究现状18-24
• 1.3.1 表面冷凝或蒸发、沸腾相变研究现状18-20
• 1.3.2 直接接触气泡冷凝研究现状20-23
• 1.3.3 含不冷凝气体蒸气冷凝研究现状23-24
• 1.4 本文工作24-25
• 第2章 VOF方法和气液两相流25-43
• 2.1 VOF方法简介26-28
• 2.2 控制方程28-30
• 2.3 各物质物性参数的确定30-35
• 2.3.1 干空气的物性参数30-31
• 2.3.2 液态水的物性参数31-32
• 2.3.3 水蒸气的物性参数32-33
• 2.3.4 混合气体的成分及其表示33-34
• 2.3.5 混合气体的状态参数34-35
• 2.3.6 混合气体物性参数35
• 2.4 表面张力和壁面粘附模型35-37
• 2.4.1 表面张力处理模型35-36
• 2.4.2 壁面粘附与接触角36-37
• 2.5 相变模型37-42
• 2.5.1 相变系数模型37-40
• 2.5.2 其他相变模型40-42
• 2.6 本章小结42-43
• 第3章 蒸气冷凝过程数值模拟43-61
• 3.1 数值计算模型的测试与验证43-46
• 3.1.1 一维相变的Stefan问题43-45
• 3.1.2 经典二维膜状冷凝问题45-46
• 3.2 平板膜状冷凝数值模拟46-54
• 3.2.1 计算模型与数值方法46-48
• 3.2.2 冷凝液膜的演化过程48-49
• 3.2.3 毛细波纹对冷凝过程的影响49-50
• 3.2.4 重力对冷凝的影响50-51
• 3.2.5 表面张力和壁面接触角对冷凝过程的影响51-54
• 3.3 蒸气泡在过冷水中冷凝54-59
• 3.3.1 计算模型与数值方法54-55
• 3.3.2 气泡冷凝上升与变形55-57
• 3.3.3 气泡存在期57-59
• 3.4 本章小结59-61
• 第4章 含不凝气体的对流冷凝换热61-77
• 4.1 竖直平板上混合气体对流冷凝61-69
• 4.1.1 计算模型与数值方法61-62
• 4.1.2 含不凝气时冷凝场各物理参数特性62-65
• 4.1.3 不凝气浓度对冷凝换热的影响65-67
• 4.1.4 液膜热阻的影响67
• 4.1.5 流速影响67-69
• 4.2 水平圆管内混合气体冷凝69-74
• 4.2.1 计算模型与数值方法69-70
• 4.2.2 水平圆管冷凝场各物理参数分布70-73
• 4.2.3 换热系数73-74
• 4.3 本章小结74-77
• 第5章 结论和展望77-79
• 5.1 主要结论及创新点77-78
• 5.2 不足与展望78-79
• 参考文献79-85
• 致谢85-87
• 研究生期间发表的论文87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 贾力,孙金栋,李孝萍;天然气锅炉烟气冷凝热能回收的研究[J];节能与环保;2001年01期

2 李晓伟;吴莘馨;何树延;;含不凝性气体冷凝对流传热传质过程的数值模拟[J];工程热物理学报;2013年02期

3 马学虎,陈嘉宾,徐敦颀,林纪方;蒸汽冷凝型态的表面自由能差判据[J];化工学报;2002年05期

4 马学虎,陈晓峰;固液界面接触角对膜状冷凝传热强化的初步分析[J];化工学报;2003年06期

5 兰忠,马学虎,张宇,周兴东,陈嘉宾;引入液固界面效应的滴状冷凝传热模型[J];化工学报;2005年09期

6 过增元;对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同[J];科学通报;2000年19期

7 熊日华,王志,王世昌;露点蒸发淡化技术[J];水处理技术;2004年04期

8 朱会元;张先锋;刘泉;刘明侯;;HCPV用平板式环路热管实验研究[J];中国科学技术大学学报;2013年05期

  本文关键词：纯蒸气及含不凝气蒸气冷凝的数值研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：267183