蒸汽流动与凝结仿真模型研究

发布时间：2020-09-11 16:46

　　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_sT、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。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL353.13
【部分图文】：

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蒸汽层流膜状凝结示意图

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δ δq图2.1 单相流体边界层问题示意图得到流场和温度场的控制方程组[52]如下：0u vx y + = (2-10)22u u 1dP uu vx y dx yνρ + = + (2-11)22T T Tu vx y Cp yλρ + = (2-12)单相边界层理论的求解由Blasius H.率先完成求解，经过近百年的发展，单相边界层对流换热问题的求解方法有级数解解法、差分数值计算法、积分方程解法、相似解法和奇异摄动法等。边界层研究方向则有：在任意（非）正交坐标系下，由轴对称、平面二维问题向三维问题发展；开始逐渐考虑边界层的高阶效应，如“部分抛物型”边界层理论[56]。本节整理了单相流体层流对流换热问题的控制方程组（2-10）~（2-12）的推导过程，为下面蒸汽层流凝结过程中引入数学方程做铺垫。2.2 单相层流控制方程组在蒸汽层流膜状凝结中的应用2.1.1 饱和蒸汽层流膜状凝结过程简介实际中蒸汽在冷壁面上的凝结过程大都是含不凝性气体的混合气体相变换热过程，

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非线性偏微分方程组（2-13）~（2-17）的完整求解。2.3 物理模型及坐标系如图2.4所示，假定无限空间中存在以一定速度竖直向下流动的干饱和蒸汽，空间中存在一个水平冷却管。来流蒸汽以恒定速度U∞竖直向下垂直掠过水平冷却管道，管道外壁面温度恒定且为wT ，饱和蒸汽温度为sT 。蒸汽在温度较低的壁面上凝结，从水平管上部滞止点A（后面简称点A）开始沿水平管圆周方向向下运动。如图2.4所示，由于蒸汽和凝结液沿水平管两侧的向下运动以及流动中换热过程的条件是相同的，两侧流体在水平管底部滞止点B（后面简称点B）处汇集。考虑到凝结液的流动速度很小，且质量流量不大

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