基于动网格的单液滴真空冻结过程研究 张志军.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143599 基于动网格的单液滴真空冻结过程研究 张志军，张跃凯1，赵丽丽2，张世伟1 （东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 110004； 2.沈阳大学机械学院，沈阳 110044） (Tel: Email: zhjzhang@mail.neu.edu.cn) 摘要：应用COMOL软件中的动网格模拟方法，对单液滴真空冻结过程的传热传质特性进行了研究。液滴表面与真空环境之间的传质动力可看作是压力驱动。研究了液滴直径、初始温度和真空室压力对液滴表面和中心温度的影响，并对表面总传质速率和液滴直径变化进行了统计。结果表明动网格方法可以很好的揭示冻结过程，液滴直径、初始温度和真空室压力的对液滴冻结过程的影响都比较明显，尤其是压力对冻结时间起到了关键作用。 关键词：真空冻结；液滴；传热传质；COMOL；动网格 0 前言 液滴真空冻结是一个温度快速下降的过程，其伴随着由液态到气态和由固态到气态的相变过程。这属于对冰晶的蒸发过冷方法，是这领域的一个研究热点[1-3]。蒸发冻结的基本原理是水在真空条件下的蒸发。很多文献通过数值和实验的方法对液滴冻结过程的传热传质特性进行研究。H.T.Shin和Y.P.Lee等对水通过喷雾蒸发产生冰粒的方法进行了理论和实验研究[4-5]。在其研究中，通过扩散控制蒸发模型对冰粒的形成条件进行探究，并用纯水和7%的乙二醇进行实验。Isao等通过实验对真空容器中的单液滴蒸发而冷却或冻结的现象进行了研究[6]。 Asaoka等也、也提出了一种可供选择的方法来制取冰浆，即用蒸发乙醇溶液的方法代替水蒸发，此系统提高了冰形成的稳定性， 但抽真空仍需要大量的能量[7-8]。以上模型和模拟主要是应用了分析方法，有限元方法也用于研究此过程，其基于多孔介质的扩散模型，而由于水分蒸发而导致的直径减少没有考虑在内[9]。 在本文中，我们开发了一种模型，即用动网格方法来追踪液滴的边界轨迹，并直径、初始温度和真空室压力的影响进行了研究。 1 建模与校核 材料 图1所示为一个二维轴对称物理模型，用来阐释液滴的真空冷冻过程。表1所示为水的性能参数。 图1. 液滴的二维轴对称模型 表1. 模拟参数设置 参数 数值 单位 998 kg m-3 3420 J kg-1 K-1 1720 J kg-1 K-1 0.6 W m-1 K-1 2 W m-1 K-1 2.8×106 J kg-1 2.5×106 J kg-1 1.2 热传递模型 液滴内部的热传递可以描述为， (1) 边界条件在对称面， (2) 边界条件在液滴表面， (3) 初始条件， (4) 1.3 表面质量传递系数 水的相变，一般看作是液滴表面的饱和蒸气压与真空中的蒸汽压力差的驱动， (5) 1.4 动网格与求解 一个二维轴对称网格用于解COMSOL Multiphysics 3.5a的方程。网格由1068个单元组成，采用自由步长。几个不同的网格进行了模拟，以确定网格独立性。相对误差设为1×10-4，绝对误差设为1×10-6。模拟采用清华同方计算机，双核处理器3.0GHz， 4096MB内存，Windows7操作系统。 1.5 模型校核 图2到图4为表1中参数的模拟结果。可与参考文献[9]的实验结果进行比较。模拟结果与实验结果比较一致，证明模型和方法可以很好的解释该液滴的传热传质过程。 2 结果与讨论 首先，图2到图4对直径的影响进行了研究，给出了液滴表面和中心温度。 图2.直径为7.5mm液滴的模拟结果和实验结果(Pv =200Pa， T0=297.15) 图3.直径为10.5mm液滴的模拟结果和实验结果 (Pv =200Pa， T0=297.15) 在初始阶段其温度都快速降低，称为第一冻结阶段。由于相变和其相变潜热的纯在，液滴进入第二个稳定冻结阶段。然后为第三个冻结阶段，温度将迅速下降。 液滴直径从7.5mm增加到10.5mm，冻结时间大约为200s，300s和400s。可以看出直径对冷冻时间有很大影响。由于大多情况下我们想用较少的时间冻结液滴，所以需要更小的液滴直径。由于冷却能量来自液滴表面气化或升华，所以大部分时间中液滴表面温度低于中心温度，但最终两者温度相同。 图5中液滴表面的总体传质速率取决于方程（5）中的表面传质系数，液滴表面饱和蒸汽压和真空室压力。初始冷冻阶段速率比较大，然后缓慢下降，直到速率接近于零。这与液