PDF《珠状凝结换热的数学物理模型及数值模拟》

[文章编号] 10012246X(2001)

0420334207 [收稿日期]

2000 -

02 -

25 ;

[修回日期]

2000 -

08 -

07 [基金项目] 国家自然科学基金(59706007) 资助项目 [作者简介] 吴玉庭(1970 - ) ,男 ,河北 ,博士后 ,从事热能动力工程及空调制冷技术方面的研究.

珠状凝结换热的数学物理模型及数值模拟 吴玉庭

1 , 杨春信

1 , 袁修干

1 , 马重芳

2 (11 北京航空航天大学 ,北京

100083 ;

21 北京工业大学 ,北京 100022) [摘要] 首次应用随机分形模型建立了珠状凝结液滴的空间和尺度分布 ,然后利用已有的单个液滴的传热规 律 ,得到了冷凝壁面的换热边界条件 ,进而求解冷凝壁的温度分布 ,最后得到了平均的珠状凝结换热系数. 应用上 述模型对铜表面以水为介质的冷凝壁换热进行了直接数值模拟 ,并与各种压力条件下的试验数据进行了比较. [关键词] 珠状凝结 ;

传热 ;

分形 ;

数值模拟 [中图分类号] TK124 [文献标识码] A 珠状凝结具有比膜状凝结高得多的换热系数 , 因而具有很重要的工程应用前景 ,并引起了极大的 研究兴趣. 要完全理解珠状凝结的换热机理 ,必须首 先能够预测珠状凝结的换热系数. 对给定大小的单 个液滴的换热计算已经取得了很大的进展 ,可以得 到令人满意的结果 [1] . 但要预测整个凝结表面的平 均换热系数 ,还需知道整个表面的液滴分布. 早期计 算珠状凝结的换热量一般首先计算通过单个液滴的 换热量 ,然后求液滴大小的分布 ,最后通过积分求出 总换热量 [1] . 这种方法假定液滴在表面上均匀分布 , 没有考虑表面导热的不均匀性和冷凝壁面材料导热 系数的影响 ,因此计算结果与实验结果偏差很大. G ose [2] ,Tanaswa [3] 等人曾尝试通过计算机模拟 液滴的生长和合并. 他们都试图模拟给定面积上整 个大小范围内的液滴. 但由于受计算机内存的限制 , 他们的模拟仅限于低凝结核心密度 (在10

4 个Π cm

2 量级范围内) . 试验观察表明凝结表面的实际凝结核 心密度为

10 7 ~10

8 个Π cm 2[4] . 因此 ,他们的换热系数 计算结果要比实际测定的低一个数量级. Glicksman 采用分阶段模拟方法 ,解决了计算机内存的限制问 题[4] . Glicksman 的模拟没有考虑液滴分布的随机性 和热流分布不均匀的影响 ,因此模拟结果仍存在较 大的偏差. 珠状凝结表面的液滴分布从初始液滴到最大脱 落液滴要跨 5~6 个数量级 [1] . 被较小液滴覆盖的表 面产生了较高的局部热流密度 ,然而被较大液滴覆 盖的表面则由于液滴的热阻较大造成较低的局部热 流密度. 表面热流的不均匀性限制了凝结表面附近 的热流 ,增加了换热热阻 ,这个由于热流不均匀性引 起的 附加热阻,称为限制热阻(constriction resis2 tance) . 限制热阻对珠状凝结换热是否具有重要影 响 ,是一个长期争论未决的问题 ,尽管已进行了众多 的试验研究 ,但得出了不同的结论. Tanner [5] 、 Wilki2 ns [6] 、 Hannemann [7] 等人的试验结果表明 ,珠状凝结 蒸汽侧换热系数随凝结表面材料的传热系数降低而 降低 ,也就是说限制热阻对珠状凝结换热有重要影 响 ;

而 Aksan [8] 、 Stylianou 和Rose [9] 等人的试验结果 却表明限制热阻对珠状凝结换热的影响很小. 由于 凝结表面温度是根据表面材料内部温度梯度外推得 到的 ,这样就会产生误差 ,特别是对于小过冷度更会 对珠状凝结换热系数计算产生较大影响. 此外 ,不凝 性气体、 蒸汽流过珠状凝结表面的速度等都会对珠 状凝结换热产生影响. 因此 ,单凭试验很难澄清这个 问题. Hannemann [10] 和Tsuruta [11] 等人曾对珠状凝结的 限制热阻进行了理论分析 ,但他们的分析 ,都是首先 对单个液滴的换热区域进行分析 ,得到单个液滴的 限制热阻后 ,根据液滴大小分布再通过积分的方法 得到整个表面的限制热阻. 这种方法未考虑液滴在 壁面上的空间分布 ,忽略了其它液滴对被研究液滴 传热的影响 ,具有其局限性. 事实上 ,如果对珠状凝 结换热进行直接数值模拟 ,就可克服这些局限 ,得出 更具一般性的结论. 本文首次应用随机分形理论模 拟了冷凝表面液滴的尺度分布和空间分布 ,利用已 第18 卷第4期2001 年7月计算物理CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS Vol.