回轉(zhuǎn)彎道對豎直U型管內(nèi)液氮流動與傳熱的影響研究.pdf

1、截至目前，關(guān)于低溫兩相流流型、壓降和傳熱的研究主要集中在直管中。隨著緊湊式換熱器等高效換熱器的出現(xiàn)和使用，管路系統(tǒng)主要由U型管構(gòu)成，具體包括直管和180°回轉(zhuǎn)型彎道。然而，關(guān)于回轉(zhuǎn)型彎道給管內(nèi)兩相流流型、壓降和傳熱帶來的影響研究卻很少。當(dāng)單相流體經(jīng)過回轉(zhuǎn)型彎道時，由于離心力和橫截面上的壓力差作用，在與主流軸線相垂直的橫截面上形成二次流。當(dāng)有密度差別的氣/汽液兩相流經(jīng)過回轉(zhuǎn)彎道時，彎道改變兩相的流體行為，影響兩相的相分布，進(jìn)而影響U型管甚

2、至是整個換熱器的傳熱方式和壓降計(jì)算方法。在低溫工業(yè)過程中，已經(jīng)多次出現(xiàn)過U型管線的爆管事故，其根本原因就是缺乏對回轉(zhuǎn)型彎道給流動與換熱帶來影響的基礎(chǔ)研究。顯然地，進(jìn)行回轉(zhuǎn)型彎道對U型管內(nèi)兩相流流型、壓降與傳熱的影響研究是迫切而又重要的。
　　本文首先采用高速攝像機(jī)，分別對絕熱和有換熱情況下的U型管管內(nèi)氣/汽液兩相流流型進(jìn)行了可視化研究。絕熱U型管采用的介質(zhì)是常溫的氮?dú)?水混合物，有換熱U型管流動指的是管內(nèi)液氮與管外熱氮?dú)鈸Q熱而進(jìn)行

3、的沸騰流動?？梢暬芯康玫?，在絕熱情況下，回轉(zhuǎn)型彎道改變來流氮?dú)?水混合物的流型，主要表現(xiàn)為對氣泡的聚合和對氣泡/氣柱的分離。采用上、下游直管中兩相流流型組合形式對回轉(zhuǎn)型彎道給流型帶來影響進(jìn)行宏觀描述，分別給出了正U型和倒U型管內(nèi)氮?dú)?水混合物流型圖，并討論了曲率比對流型及其轉(zhuǎn)變的影響。在有換熱情況下，正U和倒U型管內(nèi)液氮沸騰流動只觀察到了兩種流型:中心夾帶液滴的液膜降落環(huán)狀流和紊亂攪拌流。由于回轉(zhuǎn)型彎道對流向的改變，這兩種流型在上、下

4、游直管中相互轉(zhuǎn)換。通過對絕熱和換熱情況下的回轉(zhuǎn)型彎道比較發(fā)現(xiàn)，正U型管內(nèi)氮?dú)?水混合物與液氮沸騰流動時的氣/汽液兩相流流體行為具有相似性:回轉(zhuǎn)彎道內(nèi)側(cè)壁面經(jīng)常暴露在氣/汽相當(dāng)中。
　　其次通過數(shù)值模擬的方法，對液氮在U型/多U型管中的流動與傳熱進(jìn)行了分析。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，單相液氮在U型管中流動時，上游直管中流體橫向運(yùn)動幾乎沒有，回轉(zhuǎn)型彎道內(nèi)誘發(fā)產(chǎn)生Dean對渦，下游直管中Dean對渦逐漸衰減成單渦。本文提出了平面渦量強(qiáng)度(ω)z，對

5、Dean對渦在下游直管中延續(xù)的過程進(jìn)行了量化。文中闡述并論證了(ω)z作為量化和判定下游直管受其上游回轉(zhuǎn)型彎道影響的管程長度指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)具有三大優(yōu)勢:排除熱流密度的影響;與雷諾數(shù)的協(xié)同性;反應(yīng)不同曲率比帶來的差異性。數(shù)值分析還發(fā)現(xiàn)，流體溫度在上游直管中形成管中心低（冷的核心）靠近管壁四周高的溫度分布，在回轉(zhuǎn)型彎道內(nèi)被二次流重構(gòu)，冷的核心流向管外側(cè)，溫度高的流體則在管內(nèi)側(cè)，在下游直管中，管中心低管壁四周高的流體溫度分布形式逐漸得到恢復(fù)。壁面

6、溫度在回轉(zhuǎn)型彎道內(nèi)有明顯的下降，且其周向分布存在明顯溫差。換熱系數(shù)在回轉(zhuǎn)型彎道出口處附近達(dá)到最大，且回轉(zhuǎn)型彎道對整個U型管的傳熱貢獻(xiàn)明顯。單相液氮在多U/W型管中流動時，速度場、流體溫度、壁面溫度和傳熱特性的沿程變化與單U型管中的類似，且在回轉(zhuǎn)型彎道及其下游直管中進(jìn)行了周期性延續(xù)。
　　采用了兩流體模型和合適的封閉方程，對豎直U型管內(nèi)液氮沸騰流動與傳熱進(jìn)行了數(shù)值分析。發(fā)現(xiàn)U型管內(nèi)沿程溫度場和含氣率分布都受速度場的影響。還發(fā)現(xiàn)在回轉(zhuǎn)

7、型彎道內(nèi)側(cè)壁面附近汽相容易積聚并形成局部干涸。由于回轉(zhuǎn)型彎道誘發(fā)的二次流和浮力的共同作用，一方面使內(nèi)側(cè)壁面處生成的汽泡只能維持在內(nèi)側(cè)壁面附近處，不向管中心及外側(cè)輸運(yùn);另一方面二次流還將外側(cè)壁面沸騰產(chǎn)生的汽泡輸運(yùn)至回轉(zhuǎn)型彎道內(nèi)側(cè)壁面附近，從而形成了內(nèi)側(cè)壁面附近汽相積聚。待流體進(jìn)入下游直管中時，二次流強(qiáng)度的衰減以及消失，管內(nèi)兩相分布又重新回到“管中心幾乎不分布汽相，靠近管壁四周均勻分布汽相”的形式。
　　最后對6根不同型式的U型管管內(nèi)

8、液氮流動/沸騰流動時的壓降與傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)型彎道對下游直管段壓降的影響不可忽略。本文提出了單相流動下U型管新的總壓降算法，即△Ps+△Pc算法。△Ps+△Pc算法包含了回轉(zhuǎn)型彎道對下游直管壓降影響。液氮在U型管內(nèi)沸騰流動時，將新提出的單相流流動下的△Ps+△Pc總壓降算法，延伸拓展應(yīng)用到兩相流中。經(jīng)過與試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)，△Ps+△Pc算法與Chisholm B系數(shù)模型的結(jié)合與U型管總壓降試驗(yàn)測量值吻合最

9、好。
　　液氮在豎直U型管內(nèi)沸騰流動的換熱特性受熱流密度、入口壓力和曲率比的影響明顯。且在回轉(zhuǎn)型彎道內(nèi)側(cè)壁面附近處，容易形成局部干涸，導(dǎo)致局部壁面溫度急劇上升。這與流型可視化觀察和數(shù)值模擬所得出的結(jié)論一致。對1581個液氮流動沸騰下的試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)以含氣率x=0.25為U型管內(nèi)沸騰換熱主導(dǎo)機(jī)理區(qū)域的劃分分界點(diǎn)較為合理。當(dāng)x＜0.25時，流道為核態(tài)沸騰主導(dǎo)區(qū);當(dāng)x＞0.25時，流道為強(qiáng)制對流蒸發(fā)主導(dǎo)區(qū)。區(qū)別對待不同沸騰換熱