異形豎管降膜蒸發(fā)器管內(nèi)液膜流動(dòng)的數(shù)值研究

董 琳 張寶堃

（天津益高暖通機(jī)電設(shè)備有限公司） (天津科技大學(xué))

理論研究

異形豎管降膜蒸發(fā)器管內(nèi)液膜流動(dòng)的數(shù)值研究

董 琳*張寶堃

（天津益高暖通機(jī)電設(shè)備有限公司） (天津科技大學(xué))

對(duì)異形豎管降膜蒸發(fā)器的液膜流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析，采用VOF法建立了管內(nèi)二維氣-液兩相CFD模型；根據(jù)模擬結(jié)果討論了壁面結(jié)構(gòu)、液相物性等參數(shù)對(duì)液膜流動(dòng)的影響，并給出了異形豎管降膜蒸發(fā)器濃縮一定黏度的物料，其流量的參考操作區(qū)間。

降膜蒸發(fā)器 異形豎管 流動(dòng)性能 數(shù)值分析 操作區(qū)間

0 引言

異形豎管降膜蒸發(fā)設(shè)備是近年來發(fā)展起來的又一新型降膜蒸發(fā)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于造紙、食品、化工等諸多領(lǐng)域。它將波紋管作為加熱管應(yīng)用到降膜蒸發(fā)器中。在異形豎管降膜蒸發(fā)器中，流體液膜沿著管內(nèi)連續(xù)交替的周期變化的曲面向下流動(dòng)，其壓力和流速不斷地變化，導(dǎo)致湍動(dòng)的產(chǎn)生和液膜邊界層的減薄，從而強(qiáng)化傳熱。因壁面凹凸變化對(duì)流體流動(dòng)和傳熱產(chǎn)生一定的影響，這就為這種降膜蒸發(fā)器的研究帶來一定的復(fù)雜性。

本文在理論研究及實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用VOF法建立了二維氣-液兩相CFD模型，研究了管內(nèi)二維降膜流動(dòng)過程，根據(jù)模擬結(jié)果討論了壁面結(jié)構(gòu)、液相物性等參數(shù)對(duì)液膜流動(dòng)的影響，分析了近壁面液膜旋流的形成機(jī)理，并且討論了旋流對(duì)液膜流動(dòng)的影響。根據(jù)模擬結(jié)果給出了異形豎管降膜蒸發(fā)器濃縮一定黏度的物料，其流量的參考操作區(qū)間，為工業(yè)生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。

1 液膜流動(dòng)的數(shù)值模擬方法

由于液膜流動(dòng)自由邊界的不確定性，使得數(shù)值模擬存在很大的困難。其難點(diǎn)是如何將自由界面離散化，如何準(zhǔn)確地追蹤到自由界面隨時(shí)間的變化，以及如何在變化的自由界面上加邊界條件等。針對(duì)這些數(shù)值模擬難點(diǎn)，參考國內(nèi)外一些學(xué)者以及筆者前期的研究成果，我們認(rèn)為：“液膜厚度方程法”[1]，即給出從自由邊界到某條參考線的距離隨參考線位置變化的函數(shù)從而對(duì)液膜進(jìn)行研究，以及 “線段法”[2]，這兩種方法都在一定程度上存在缺陷，不能給出合理的管內(nèi)流場結(jié)構(gòu)。

對(duì)比前面幾種方法，似乎采用定義流體區(qū)域的方法比定義界面坐標(biāo)的方法更具優(yōu)越性，因?yàn)榍罢咛幚砗薪徊孀杂杀砻鎲栴}更加得心應(yīng)手，從邏輯上更容易實(shí)現(xiàn)。VOF法(volume of fluid)[3，4]就是采用定義流體區(qū)域的方法對(duì)氣液兩相進(jìn)行研究，非常適合于對(duì)異形豎管內(nèi)降膜流動(dòng)過程的研究。

2 異形豎管降膜蒸發(fā)模型的簡化及假設(shè)

異形豎管二維降膜蒸發(fā)過程屬于氣-液兩相分層流動(dòng)過程。為確定波動(dòng)液膜的自由表面位置，選用VOF（volume of fluid）界面追蹤技術(shù)進(jìn)行模擬。鑒于氣液兩相界面產(chǎn)生湍動(dòng)，在此選用RNG(renormalization group)湍流模型[5](重整化群模型)描述液膜的流動(dòng)過程，并對(duì)管內(nèi)液膜流動(dòng)模型進(jìn)行假設(shè)和簡化:

(1)液膜屬于不可壓縮的黏性流體。

(2)液膜流動(dòng)具有一定的初速度，是穩(wěn)態(tài)的。

(3)汽相速度對(duì)液膜影響較小，汽液之間無滑移速度。

(4)異形豎管屬于軸對(duì)稱管，因此選擇沿軸線剖面的一半分析其流動(dòng)性能。 （圖1為異形豎管降膜蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果，圖2為與之對(duì)應(yīng)的直管降膜蒸發(fā)器模型。）

(5)由于液膜流動(dòng)的不穩(wěn)定性，液相出口流速不可能達(dá)到嚴(yán)格意義上的穩(wěn)定不變，因此，對(duì)流場計(jì)算是否達(dá)到穩(wěn)定的判據(jù)是，液相出口速度在單位時(shí)間內(nèi)的平均值恒定不變，即認(rèn)為達(dá)到流動(dòng)穩(wěn)定。下面給出某一算例：液相出口速度隨時(shí)間的變化如圖3所示。由圖3可見，由于液膜自由表面存在波動(dòng)，出口速度也隨之出現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)，但平均速度已達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)即可停止計(jì)算。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 波紋結(jié)構(gòu)對(duì)液膜流動(dòng)的影響

圖4是波紋管和直管降落液膜形成過程對(duì)比。通過比較我們發(fā)現(xiàn)，在相同時(shí)間段內(nèi)液膜在直管上流過的距離大于波紋管上的直線距離。顯然這是因?yàn)椴y的存在增加了液膜的流動(dòng)路程，從而延長了液膜在波紋管內(nèi)的停留時(shí)間，這勢必會(huì)增加物料的停留時(shí)間，起到強(qiáng)化換熱的作用。

3.2 表面張力的影響

對(duì)于薄液膜流動(dòng)，壁面黏附力的作用至關(guān)重要，該力與液固接觸角有很大關(guān)系。液膜在波紋管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，受波紋結(jié)構(gòu)的影響接觸角大小會(huì)發(fā)生變化。隨接觸角變化，液體受到的黏附力產(chǎn)生震蕩。這種不穩(wěn)定震蕩將改變液膜自由表面形狀、相位角、局部液膜厚度和局部壁面剪應(yīng)力等值，甚至?xí)挂耗て屏选?/p>

對(duì)一般潤濕系統(tǒng)來說，表面張力降低，固液接觸角變小。較小的固液接觸角有利于潤濕過程自發(fā)進(jìn)行，從而形成較大的氣液接觸面積。圖5分別給出了表面張力對(duì)液膜側(cè)影的影響，其中圖5(a）為不考慮表面張力液膜側(cè)影圖，圖5(b)為考慮表面張力液膜側(cè)影圖。從圖中可以看出，不考慮表面張力時(shí)液膜將緊隨固體波紋面的變化而變化，自由表面與波紋壁面間的相位差幾乎為零，液膜表面十分光滑；考慮表面張力時(shí)液膜自由表面與固體壁面間的相位差增大，表面波動(dòng)比較劇烈，而且在自由表面還會(huì)形成許多細(xì)小的不規(guī)則的毛細(xì)波紋。

圖5 表面張力對(duì)液膜側(cè)影的影響

3.3 液相流速及流量的影響

圖6為蒸發(fā)溫度T=355 K，傳熱溫差 ΔT=6 K，黏度分別為7.4 mPa·s和10.7 mPa·s的液膜流動(dòng)過程流體速度云圖。圖7給出了液膜流速隨波紋管壁面變化的曲線圖，由圖7可以知道，液膜流速在收縮段和擴(kuò)張段較高，從收縮段到擴(kuò)張段變化時(shí)由于波紋的影響流速降低，從擴(kuò)張段到收縮段變化時(shí)由于波紋的影響造成了液膜的堆積，使流速降低。同時(shí)，兩條曲線也顯示出不同黏度下流速的變化趨勢，即隨著黏度的升高液膜的流速降低，但是流速隨壁面變化的趨勢基本相同。

圖6 降膜流動(dòng)過程流體速度云圖

通常認(rèn)為，液體流速的增加能促進(jìn)連續(xù)液膜的形成。但模擬結(jié)果表明，并非在高液速下就一定能形成連續(xù)液膜。

圖8給出了黏度為7.4 mPa·s的物料在不同質(zhì)量流量下的液膜流動(dòng)情況，圖9給出了不同質(zhì)量流量下液膜湍動(dòng)強(qiáng)度云圖。從圖8和圖9中可以看出，隨著液膜流量的增加液膜趨于穩(wěn)定，但是，當(dāng)質(zhì)量流量超過0.16 kg/s時(shí)，液膜的湍動(dòng)能急劇增加，液膜不能沿壁面均勻流下，會(huì)出現(xiàn)脫體飛濺等情況，影響蒸發(fā)效果。

圖7 液相流速變化曲線

圖8不同流量下的液膜流動(dòng)情況

圖9不同質(zhì)量流量下液膜湍動(dòng)能云圖

通過以上模擬結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)用波紋管質(zhì)量流量的建議操作區(qū)間為0.056～0.16 kg/s。

3.4 壁面剪應(yīng)力的影響

壁面剪應(yīng)力分布對(duì)研究傳熱過程、傳質(zhì)過程、高Pr數(shù)物質(zhì)的沉降過程和高Sc數(shù)下的溶解過程均具有重要意義。例如，在物質(zhì)沉淀過程中，壁面剪應(yīng)力決定了物質(zhì)沉降的位置和方向;在壁面溶解過程中，壁面剪應(yīng)力決定了空穴形成的形狀和位置。進(jìn)一步說，較高的壁面剪應(yīng)力可以提高設(shè)備排除工業(yè)流體中存在的小粒子或氣泡的能力。因此，從設(shè)備設(shè)計(jì)角度來說，希望優(yōu)化壁面結(jié)構(gòu)保持一定的壁面剪應(yīng)力，以保證在諸如物質(zhì)沉降、壁面溶解等過程中有較好的操作條件。另外，壁面剪應(yīng)力方向的改變會(huì)引起液體的回流，從而產(chǎn)生黏性漩渦。黏性漩渦的形成會(huì)對(duì)局部傳熱、傳質(zhì)過程產(chǎn)生一定的阻礙作用。從這個(gè)角度來說，又希望通過改造壁面結(jié)構(gòu)降低壁面剪應(yīng)力的變化程度，從而減少漩渦的形成。

圖10給出了波紋管壁面剪應(yīng)力分布曲線。該圖顯示壁面剪應(yīng)力隨波紋管管徑變化呈周期性變化的規(guī)律，在收縮段壁面剪應(yīng)力最大，從收縮段到擴(kuò)張段變化的過程中壁面剪應(yīng)力逐漸減小趨近于0，預(yù)示著液膜流動(dòng)方向在這個(gè)過程中極易發(fā)生變化，即有旋流產(chǎn)生。從這一點(diǎn)來說，可通過測定壁面剪應(yīng)力來預(yù)測近壁區(qū)渦旋產(chǎn)生的位置。從圖10(a)中可以看出，隨著黏度的增大壁面剪切應(yīng)力呈增大的趨勢?？梢娫诹髁恳欢ǖ那疤嵯?，隨著黏度的增加液膜的流動(dòng)趨于穩(wěn)定，不易形成旋流，有利于蒸發(fā)過程的進(jìn)行。由圖10(b)可以看出，隨著流量的增加壁面剪切應(yīng)力曲線波動(dòng)更加劇烈，說明隨著流量的增加壁面剪切應(yīng)力的變化更加劇烈，更容易形成旋流。

圖10 壁面剪應(yīng)力分布

圖11為物料黏度7.4 mPa·s、流量 0.11 kg/s時(shí)的液膜矢量圖。從圖11可看出，在液膜從擴(kuò)張段到收縮段變化的過程中流速逐漸降低，液膜在近壁面堆積，隨著壁面剪切應(yīng)力的變化，最終形成了旋流。

圖11 壁面旋流矢量圖

從換熱角度分析，旋流的產(chǎn)生阻礙了液膜的熱交換過程，使換熱系數(shù)降低，應(yīng)該盡量避免旋流的產(chǎn)生。但是在實(shí)際操作中，物料中經(jīng)常夾帶有固性物殘?jiān)?，由于液膜由擴(kuò)張段到收縮段流速逐漸降低，致使固形物殘?jiān)苋菀渍锤皆诒诿?，將影響液膜流?dòng)及傳熱過程，嚴(yán)重的還會(huì)造成干壁。旋流的產(chǎn)生可以在一定程度上沖刷異形豎管內(nèi)壁面，帶走沾附在壁面上的殘?jiān)?，減少干壁的風(fēng)險(xiǎn)。因此，總體分析旋流的產(chǎn)生是有利于降膜蒸發(fā)過程順利進(jìn)行的。

4 結(jié)論

(1)本文對(duì)波紋管降膜蒸發(fā)器的流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了初步模擬研究，利用Fluent軟件平臺(tái)，采用VOF法建立了異形豎管內(nèi)降落液膜的流動(dòng)場模型；

(2)分析了近壁面液膜旋流的形成機(jī)理，并且討論了旋流對(duì)液膜流動(dòng)及傳熱的影響；

(3)分析了波紋結(jié)構(gòu)、液相參數(shù)、壁面剪應(yīng)力對(duì)液膜流動(dòng)的影響；

(4)從模擬結(jié)構(gòu)可以得出，單純?cè)龃笠合嗔髁坎⒉荒鼙ＷC連續(xù)液膜的形成，同時(shí)給出了濃縮一定黏度的物料，其流量的參考操作區(qū)間，為工業(yè)生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。

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TQ 02

2010-11-12)

*董琳，女，1982年生，工程師。天津市，300456。