豎直管降膜蒸發(fā)器冷膜成形及流動特性數(shù)值模擬

楊 紅，陳 鑫，李鵬飛，楊 頌，何 垚

1.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，武漢 430205；2.化工裝備強化與本質(zhì)安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學(xué)），武漢 430205；3.深圳市純水一號水處理科技有限公司，深圳 518105

降膜蒸發(fā)器有節(jié)能高效、物料滯留時間短、傳熱溫差小等特點，非常適合熱敏性物料的蒸發(fā)濃縮，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛［1-4］。布液裝置是降膜蒸發(fā)器的核心部件，它與蒸發(fā)器的傳熱性能與操作穩(wěn)定直接相關(guān)［5-6］。在布液裝置流體流動特性與管內(nèi)流體成膜機理的研究中，計算流體力學(xué)（compu?tational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬技術(shù)是一種有效的手段［7-8］。馬學(xué)虎等［9］運用數(shù)值模擬方法探尋了液膜隨進(jìn)口擾動頻率、Re等要素變化而波動的演變過程。Boss等［10］將液體小波幅被迫擾動施加于進(jìn)口邊界，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)研究了液體黏度與其表面張力對液膜流動與波行為的影響。許松林等［11］對豎直降膜管內(nèi)氣相并流操作條件下的液膜流動狀態(tài)進(jìn)行了模擬仿真，分析了液膜流動與氣液兩相雷諾數(shù)之間的關(guān)系［11］。北京化工大學(xué)的李凱等［12］就液位高度、進(jìn)液方式對溢流型布液裝置的布膜效果進(jìn)行了數(shù)值模擬與實驗研究，分析了液位高度與進(jìn)液方式對布膜效果的影響。王為術(shù)等對有機工質(zhì)在降膜管內(nèi)的流動特性與傳熱情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了噴淋密度、管徑大小、工質(zhì)溫度等要素對布膜效果的影響［13］。李鐵、呂昌堯利用數(shù)值模擬技術(shù)分析了降膜管內(nèi)氣體對液膜流速與液膜厚度的影響規(guī)律［14］。但上述研究工作往往著眼于單根降膜管的液膜分布，而影響布液裝置流體流動與成膜效果的因素眾多，單管模擬并不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)多管系統(tǒng)的液體分配與成膜情況。

本文基于Fluent軟件，將單層布液盤和錐形插件組合作用下的多管管束的流動特性和成膜過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，從管內(nèi)液膜的形成、出口截面液相分布、降膜管進(jìn)出口流量變化等方面，對比分析了有、無插件狀態(tài)下的布液模型的流動狀態(tài)和成膜效果，并重點研究了液膜平均厚度與平均流量之間的關(guān)系，探討了流量變化對成膜效果的影響。

1 降膜裝置CFD模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)模型

布液裝置主體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，降膜管規(guī)為?38 mm×2 mm，正三角形排列，7根管組成最小管束，管中心距為48 mm，管長L為1000 mm。布液板高度H可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為10 mm～100 mm，筒體內(nèi)徑D為150 mm。

采用錐形插件，插件下端外圓與降膜管內(nèi)壁間隙為1 mm?；赟olidworks建立流體流動區(qū)域三維模型，適當(dāng)簡化模型，忽略布液板上層流動區(qū)域，設(shè)置速度入口為邊界條件，入口速度與液位高度相關(guān)。布液裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 布液裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of liquid distribution device

圖2 布液裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Internal structure of liquid distribution device

1.2 網(wǎng)格劃分

在Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。管內(nèi)壁流體流動狀態(tài)是本研究的重點，故近壁面網(wǎng)格采用邊界層網(wǎng)格，管內(nèi)流動區(qū)域采用高效率的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。圖3為流動區(qū)域整體網(wǎng)格示意圖，圖4為降膜管橫截面網(wǎng)格示意圖。

圖3 流動區(qū)域整體網(wǎng)格示意圖Fig.3 Overall grid schematic diagram of flow area

圖4 降膜管橫截面網(wǎng)格示意圖Fig.4 Grid schematic diagram of cross section of falling film tubes

1.3 初始條件和邊界條件

降膜布液過程本質(zhì)是一種氣液兩相分層流動過程，流體體積分?jǐn)?shù)模型（The Volume of Fluid multi-phase flow model，VOF）被廣泛應(yīng)用于求解此類問題［15-16］。本文采用VOF界面追蹤技術(shù)，跟蹤氣液兩相運動界面位置，研究降膜布液過程中氣液兩相流體動力學(xué)特性。本模擬采用有限元差分法，選用流體體積分?jǐn)?shù)多相流模型和重整化（Re-normalization group，RNG)湍流模型，采用三維雙精度求解器，以空氣和水為工質(zhì)，選擇速度入口和壓力出口為邊界條件，操作壓強設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，計算過程為瞬態(tài)過程。入口流體與出口流體溫度均設(shè)置為300 K，固液面接觸無滑移。

2 結(jié)果與討論

2.1 降膜管內(nèi)液膜的形成

液膜穩(wěn)定后降膜管壁面氣液相分布圖如圖5所示。在兩相流氣液體積比云圖中，液體體積分?jǐn)?shù)大的部分可視為液相區(qū)，液體體積分?jǐn)?shù)小的地方可視為為氣相區(qū)。對比可見，無插件時水從管板流動到降膜管呈傾瀉狀態(tài)，不能形成均勻連續(xù)的液膜，而有插件時布膜均勻，液膜能基本覆蓋整個布膜管。

2.2 出口截面液相分布

液膜穩(wěn)定后降膜管出口截面氣液相分布如圖6所示。對比可見，有插件時出口截面液體分布均勻，無插件時管壁液體周向分布極不均勻，不能形成均勻液膜。

圖5 管內(nèi)壁氣液相分布云圖：（a）無插件模型，（b）帶插件模型Fig.5 Gas and liquid phase distribution cloud maps on inner wall of tube：（a）without plug-in，（b）with plug-in

圖6 出口截面氣液相分布云圖：（a）無插件模型，（b）帶插件模型Fig.6 Gas and liquid phase distribution cloud maps of the tube outlet section：（a）without plug-in，（b）with plug-in

2.3 降膜管進(jìn)出口流量變化對比

圖7為液膜穩(wěn)定后兩種布液裝置的進(jìn)出口流量隨時間變化曲線，可以看出，帶插件布液裝置的出口流量波動幅度明顯低于無插件布液裝置，前者布膜穩(wěn)定性好。這里需要著重強調(diào)，進(jìn)出口流量的正負(fù)值是相對于流動區(qū)域而言的，進(jìn)入到流動區(qū)域的為正值，流出流動區(qū)域的為負(fù)值。

圖7 進(jìn)出口流量隨時間變化圖Fig.7 Flowchart of inlet and outlet with time

2.4 液膜平均厚度以及平均流速

Fluent軟件可輸出降膜管區(qū)域液相的體積分?jǐn)?shù)以?B表示，據(jù)此可計算出液膜的平均厚度和平均流速。

式（1）和式（2）中，D為管內(nèi)徑，QV為體積流量。

計算得到的液膜平均厚度δ隨流量QV的變化曲線如圖8所示。

圖8 平均液膜厚度隨流量變化圖Fig.8 Change of average film thickness with flow rate

當(dāng)流量處于較小值時，平均液膜厚度也處于較小值，此時不能形成穩(wěn)定液膜。在流量處于一定范圍內(nèi)，液膜厚度與其成線性關(guān)系。當(dāng)流量增大到600 mL/s左右時，平均液膜厚度趨于定值1.28 mm，繼續(xù)增大流量，液膜厚度不再有顯著變化。根據(jù)圖8數(shù)據(jù)，可推測繼續(xù)增大流量，液膜厚度不會明顯變化，但流速會成比例增大，當(dāng)液體流速達(dá)到某一定值時，將無法形成連續(xù)穩(wěn)定的液膜。

3 結(jié) 語

針對單層布液盤和錐形插件組合作用下的多管管束布膜裝置模型，就管束的流動特性和成膜過程進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

1）有、無插件的布液裝置均能在降膜管內(nèi)壁形成液膜，但是無插件時成膜情況不理想。錐形插件能顯著改善布膜效果，使分液均勻，液膜連續(xù)穩(wěn)定，只要合理控制流量，不會出現(xiàn)“干壁”現(xiàn)象。

2）基于本文數(shù)據(jù)，帶錐形插件的布膜裝置在流體流量為620 mL/s時液膜厚度趨于穩(wěn)定，膜厚約1.28 mm，繼續(xù)增加流量，液膜厚度無顯著變化，但流速相應(yīng)增加，不利于連續(xù)液膜的穩(wěn)定，也不利于介質(zhì)在降膜管內(nèi)的充分蒸發(fā)。