析濕工況下?lián)Q熱器翅片表面冷凝液滴行為的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.pdf

1、翅片管式換熱器是目前制冷空調(diào)、化工等多種行業(yè)中常用的換熱器形式。翅片管式換熱器的傳熱熱阻主要集中在翅片側(cè)。因此提高翅片管式換熱器性能的重點(diǎn)在于優(yōu)化換熱器翅片側(cè)結(jié)構(gòu)。房間空調(diào)器中所使用的翅片管式蒸發(fā)換熱器的翅片側(cè)基本都運(yùn)行在濕工況下。當(dāng)翅片管式換熱器處于濕工況下，翅片表面溫度低于濕空氣的露點(diǎn)溫度后，濕空氣中的水蒸氣開(kāi)始在翅片表面凝結(jié)析濕，此時(shí)翅片表面將出現(xiàn)冷凝液滴。隨著析濕過(guò)程的不斷進(jìn)行，液滴會(huì)逐漸生長(zhǎng)直到在重力和氣流曳力的共同作用下開(kāi)始

2、發(fā)生運(yùn)動(dòng)最終流出翅片表面。冷凝液滴在翅片表面的形成、生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)翅片管式換熱器空氣側(cè)壓降與傳熱的影響重要且復(fù)雜，需要反映在換熱器空氣側(cè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。這就要求能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)析濕工況下?lián)Q熱器翅片表面冷凝液滴行為的模擬計(jì)算。因此，本文的研究?jī)?nèi)容包括翅片表面液滴形成、生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬、翅片結(jié)構(gòu)和表面改性對(duì)液滴行為的影響的數(shù)值模擬以及模型的可視化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面。取得了如下的成果：
　　1）建立了描述翅片表面液滴運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模

3、型，得到了液滴接觸角和氣流曳力等因素對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律。模型中考慮了液滴在翅片表面所受重力、氣流曳力和壁面粘附力的影響，提出液滴在重力和氣流曳力的共同影響下會(huì)發(fā)生沿重力方向和氣流方向的形變，進(jìn)而對(duì)液滴三相接觸線上各點(diǎn)的接觸角產(chǎn)生影響；通過(guò)液滴重力和氣流曳力的大小得出液滴形變的程度并以偏移角來(lái)表征，開(kāi)發(fā)液滴在重力和氣流曳力的共同影響下三相接觸線上接觸角計(jì)算模型；建立液滴運(yùn)行過(guò)程氣液兩相連續(xù)性方程和動(dòng)力守恒方程，通過(guò)接觸角模型將表面張

4、力處理為體積力源項(xiàng)添加到動(dòng)量方程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬；并基于模型分析了不同液滴后退接觸角和氣流速度對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特性的影響。
　　2）建立了描述翅片表面液滴形成和生長(zhǎng)特性的數(shù)值模型，得到了換熱器運(yùn)行工況對(duì)液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)程熱質(zhì)傳遞特性的影響規(guī)律。模型中考慮了翅片表面形狀對(duì)液滴成核自由能的影響，提出了通過(guò)成核數(shù)目和液滴成核臨界半徑求取成核過(guò)程傳質(zhì)速率的方法；建立了液滴與濕空氣相界面附近濕空氣中水蒸氣的組分守恒方程，得出水蒸氣相

5、間擴(kuò)散傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力-濃度梯度與液滴生長(zhǎng)過(guò)程傳質(zhì)速率的關(guān)系；建立液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)程的氣液兩相控制方程，將反映液滴形成和生長(zhǎng)特性的水蒸氣傳質(zhì)速率作為質(zhì)量源項(xiàng)加入連續(xù)性方程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)程的模擬；并基于模型分析了不同進(jìn)口空氣濕度和速度對(duì)液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)程的熱質(zhì)傳遞特性的影響。
　　3）建立了描述翅片結(jié)構(gòu)和表面改性對(duì)液滴行為影響的數(shù)值模型，得到了翅片結(jié)構(gòu)和親水涂層對(duì)液滴行為以及濕空氣熱質(zhì)傳遞的影響規(guī)律。模型考慮了翅片表面波紋

6、、條縫等結(jié)構(gòu)對(duì)液滴形狀和接觸角的影響，基于Young-Laplace方程推導(dǎo)得出波紋和條縫結(jié)構(gòu)上液滴和液橋三相接觸線上接觸角的計(jì)算模型；通過(guò)該模型將表面張力處理為體積力源項(xiàng)添加到動(dòng)量方程中，實(shí)現(xiàn)了翅片結(jié)構(gòu)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特性影響的描述。通過(guò)翅片表面附近濕空氣中水蒸氣的組分守恒，得出濃度梯度與液膜形成過(guò)程傳質(zhì)速率的關(guān)系，將液膜形成過(guò)程的傳質(zhì)速率作為質(zhì)量源項(xiàng)加入連續(xù)性方程中，實(shí)現(xiàn)了親水涂層對(duì)液膜形成特性影響的描述。
　　4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了描述翅

7、片表面液滴運(yùn)動(dòng)、形成和生長(zhǎng)特性的數(shù)值模型。針對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，不同質(zhì)量液滴的最小接觸角的模擬值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差為1.2％，最大誤差為1.8%；固定質(zhì)量的液滴在豎直翅片表面運(yùn)動(dòng)速度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差為8.1%，最大誤差為10%。針對(duì)液滴形成和生長(zhǎng)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，當(dāng)液滴在豎直翅片表面形成和生長(zhǎng)時(shí)，模型計(jì)算得出的液滴的分布與實(shí)驗(yàn)拍攝的照片中的液滴分布基本一致；對(duì)于傳質(zhì)因子jm，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的平均誤差