垂直相分离冷凝管内流型调控的数值研究.pdfVIP

2013 年 第 58 卷 第 10 期：954 ~ 960 《中国科学》杂志社 论 文 SCIENCE CHINA PRESS 垂直相分离冷凝管内流型调控的数值研究 ① ①* ② ② 孙东亮 , 徐进良 , 陈奇成 , 曹桢 ① 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室, 北京 102206; ② 华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室, 北京 102206 * 联系人, E-mail: xjl@ 2012-10-18 收稿, 2013-01-24 接受 国家自然科学基金青年项目、国家重点基础研究发展计划(2011CB710703)、国家自然科学基金国际合作项目、北京市 自然科学基金(3112022)、河北省自然科学基金(E2011502057)和中央高校基本科研业务费专项基金(12MS44)资助 摘要 基于非能动相分离概念, 开发了新型相分离冷凝管, 形成了“气在管壁, 液在中心” 的分布 关键词 模式. 目前我们已经实验研究了相分离冷凝管对流型的调控作用, 并定性分析了其内在机理. 相分离 为了深入研究这种新型结构内在的流型调控机理, 基于跨尺度网格系统及VOF 方法, 对垂直相 流型调控 分离冷凝管内单个气弹的调控过程进行了数值研究. 研究发现气弹从光管区域进入流型调控区 金属丝网 冷凝换热 域后, 液膜厚度减少了近70%; 气弹上升速度提高了1 倍多, 带动环隙区域内液体速度和速度梯 数值模拟 度的大幅提高, 从而起到减薄流动边界层的作用; 气弹上升速度的大幅提高引起环隙区域和核 心区域内流体质量和动量的交换, 同时引起核心区域内流体的自维持脉动, 促进了近壁区和主 流区内液体的交混, 以上3 个因素将对提高设备冷凝换热性能起到积极的作用. 近几年来, 由于能源短缺、环境恶化, 低品位能 性能. 传统管道中通常气体分布于管道中心而液体 源利用成为了热门研究课题, 其中有机朗肯循环系 靠近壁面, 液体在近壁区积聚, 引起较大的液体热阻, 统(Organic Rankine Cycle, ORC)是利用低品位能源 表现为相分布与传热不协同, 导致传热恶化, 因此提 (如余热、太阳能、地热能等) 的有效方法之一[1]. ORC 高多相流传热的关键问题是如何实现流型与传热之 系统主要面向低品位能源, 效率较低, 提高效率的有 间的协同. Lips 和 Meyer[7]实验研究了R134a 在倾斜 效途径是极大限度的降低系统不可逆损失, 对于部 光滑管内的对流凝结过程, 表明相分布对传热系数 件蒸发器和冷凝器来说就是尽量提高其换热性能, 具有显著影响. 减小管道两侧的换热温差. 冷凝器管内有机工质的 2012 年, 作者所在课题组基于非能动相分离概 冷凝换热系数小于 1000 W/(m2 K)[2], 与管外冷却水 念提出了相分离冷凝管[8,9], 在管道中心悬空插入单 换热系数具有相同量级, 管道内外的热阻近似相等, 层柱状金属丝网, 将调控区域划分成环隙区域及核 因此强化管内冷凝传热能够大幅提高冷凝器的换热 心区域. 由于表面张力作用, 迫使气弹在环隙区域内 性能. 在提高余热利用效率、减小换热过程不可逆性 流动, 核心区域内充满液体, 实现了与传统管内完全 及换热器制造成本多重约束下, O