本文關(guān)鍵詞：析濕工況下?lián)Q熱器翅片表面冷凝液滴行為的數(shù)值模擬與實驗驗證

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【摘要】：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始在翅片表面凝結(jié)析濕,此時翅片表面將出現(xiàn)冷凝液滴。隨著析濕過程的不斷進(jìn)行,液滴會逐漸生長直到在重力和氣流曳力的共同作用下開始發(fā)生運(yùn)動最終流出翅片表面。冷凝液滴在翅片表面的形成、生長和運(yùn)動特性,對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)計中。這就要求能夠?qū)崿F(xiàn)對析濕工況下?lián)Q熱器翅片表面冷凝液滴行為的模擬計算。因此,本文的研究內(nèi)容包括翅片表面液滴形成、生長和運(yùn)動特性的數(shù)值模擬、翅片結(jié)構(gòu)和表面改性對液滴行為的影響的數(shù)值模擬以及模型的可視化實驗驗證等方面。取得了如下的成果:1)建立了描述翅片表面液滴運(yùn)動特性的數(shù)值模型,得到了液滴接觸角和氣流曳力等因素對液滴運(yùn)動特性的影響規(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發(fā)生沿重力方向和氣流方向的形變,進(jìn)而對液滴三相接觸線上各點(diǎn)的接觸角產(chǎn)生影響;通過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表征,開發(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算模型;建立液滴運(yùn)行過程氣液兩相連續(xù)性方程和動力守恒方程,通過接觸角模型將表面張力處理為體積力源項添加到動量方程中,實現(xiàn)了對液滴運(yùn)動過程的模擬;并基于模型分析了不同液滴后退接觸角和氣流速度對液滴運(yùn)動特性的影響。2)建立了描述翅片表面液滴形成和生長特性的數(shù)值模型,得到了換熱器運(yùn)行工況對液滴形成和生長過程熱質(zhì)傳遞特性的影響規(guī)律。模型中考慮了翅片表面形狀對液滴成核自由能的影響,提出了通過成核數(shù)目和液滴成核臨界半徑求取成核過程傳質(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,得出水蒸氣相間擴(kuò)散傳質(zhì)的驅(qū)動力-濃度梯度與液滴生長過程傳質(zhì)速率的關(guān)系;建立液滴形成和生長過程的氣液兩相控制方程,將反映液滴形成和生長特性的水蒸氣傳質(zhì)速率作為質(zhì)量源項加入連續(xù)性方程中,實現(xiàn)了對液滴形成和生長過程的模擬;并基于模型分析了不同進(jìn)口空氣濕度和速度對液滴形成和生長過程的熱質(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、條縫等結(jié)構(gòu)對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算模型;通過該模型將表面張力處理為體積力源項添加到動量方程中,實現(xiàn)了翅片結(jié)構(gòu)對液滴運(yùn)動特性影響的描述。通過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程傳質(zhì)速率的關(guān)系,將液膜形成過程的傳質(zhì)速率作為質(zhì)量源項加入連續(xù)性方程中,實現(xiàn)了親水涂層對液膜形成特性影響的描述。4)實驗驗證了描述翅片表面液滴運(yùn)動、形成和生長特性的數(shù)值模型。針對液滴運(yùn)動模型的實驗驗證結(jié)果表明,不同質(zhì)量液滴的最小接觸角的模擬值與實驗值平均誤差為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)動速度的模擬值與實驗值平均誤差為8.1%,最大誤差為10%。針對液滴形成和生長模型的實驗驗證結(jié)果表明,當(dāng)液滴在豎直翅片表面形成和生長時,模型計算得出的液滴的分布與實驗拍攝的照片中的液滴分布基本一致;對于傳質(zhì)因子jm,模型的預(yù)測值與實驗結(jié)果之間的平均誤差為17.3%,模擬結(jié)果與89%的實驗數(shù)據(jù)的誤差在±25%以內(nèi);對于傳熱因子jh,模型的預(yù)測值與實驗結(jié)果之間的平均誤差為11.8%,模擬結(jié)果與94%的實驗數(shù)據(jù)的誤差在±20%以內(nèi)。本文提出的模型能夠較好的預(yù)測液滴在翅片表面的形成、生長和運(yùn)動特性。
【關(guān)鍵詞】：換熱器 翅片 析濕 液滴行為
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK172
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 符號表8-14
• 第一章 緒論14-30
• 1.1 課題的背景及意義14-16
• 1.2 相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀16-27
• 1.2.1 翅片表面液滴運(yùn)動特性研究16-18
• 1.2.2 翅片表面液滴形成和生長特性研究18-23
• 1.2.3 翅片結(jié)構(gòu)對液滴行為的影響研究23-25
• 1.2.4 翅片表面改性對液滴行為的影響研究25-26
• 1.2.5 研究現(xiàn)狀總結(jié)26-27
• 1.3 本文的研究內(nèi)容與技術(shù)路線27-30
• 1.3.1 研究內(nèi)容27-28
• 1.3.2 技術(shù)路線28-30
• 第二章 翅片表面液滴運(yùn)動特性的數(shù)值模擬30-55
• 2.1 液滴運(yùn)動機(jī)制分析30-32
• 2.2 液滴運(yùn)動特性建模思路32-33
• 2.3 翅片表面液滴運(yùn)動特性的數(shù)值模型33-43
• 2.3.1 基本控制方程33
• 2.3.2 翅片表面液滴所受重力的計算33-34
• 2.3.3 翅片表面液滴所受氣流曳力的計算34-37
• 2.3.4 翅片表面液滴所受壁面粘附力的計算37-39
• 2.3.5 受重力和氣流曳力共同影響的液滴接觸角計算模型39-43
• 2.4 液滴運(yùn)動模型的算法43-47
• 2.4.1 單液滴運(yùn)動模型的算法43-45
• 2.4.2 多液滴運(yùn)動模型的算法45-47
• 2.5 液滴運(yùn)動特性的模擬結(jié)果與分析47-53
• 2.5.1 計算區(qū)域與邊界條件47-48
• 2.5.2 單/多液滴運(yùn)動過程的模擬結(jié)果48-49
• 2.5.3 翅片表面特性對液滴運(yùn)動過程的影響49-52
• 2.5.4 氣流曳力對液滴運(yùn)動過程的影響52-53
• 2.6 本章小結(jié)53-55
• 第三章 翅片表面液滴形成和生長特性的數(shù)值模擬55-77
• 3.1 液滴形成和生長機(jī)制分析55-56
• 3.1.1 液滴形成機(jī)制55-56
• 3.1.2 液滴生長機(jī)制56
• 3.2 液滴形成和生長特性建模思路56-58
• 3.3 液滴形成和生長特性的數(shù)值模型58-67
• 3.3.1 基本控制方程58-61
• 3.3.2 計算液滴形成過程的傳質(zhì)速率的子模型61-64
• 3.3.3 計算液滴生長過程的傳質(zhì)速率的子模型64-66
• 3.3.4 其他補(bǔ)充經(jīng)驗方程66-67
• 3.4 液滴形成和生長模型的算法67-69
• 3.5 液滴形成和生長特性的模擬結(jié)果及分析69-76
• 3.5.1 計算區(qū)域與邊界條件69-71
• 3.5.2 翅片表面液滴形成和生長過程的模擬結(jié)果71-73
• 3.5.3 翅片表面液滴對翅片附近濕空氣溫度場和速度場的影響73-74
• 3.5.4 運(yùn)行工況對液滴形成和生長過程熱質(zhì)傳遞的影響74-76
• 3.6 本章小結(jié)76-77
• 第四章 翅片結(jié)構(gòu)對液滴行為影響的數(shù)值模擬77-97
• 4.1 翅片結(jié)構(gòu)對液滴行為影響的分析77-79
• 4.2 翅片結(jié)構(gòu)對液滴行為影響的數(shù)值模型79-87
• 4.2.1 基本控制方程79-80
• 4.2.2 翅片波紋結(jié)構(gòu)處液滴接觸角模型80-82
• 4.2.3 翅片條縫結(jié)構(gòu)處液滴接觸角模型82-87
• 4.3 模型算法87-90
• 4.4 翅片結(jié)構(gòu)對液滴行為影響的模擬結(jié)果與分析90-96
• 4.4.1 計算區(qū)域與邊界條件90-92
• 4.4.2 翅片結(jié)構(gòu)對液滴行為影響的模擬結(jié)果與分析92-95
• 4.4.3 不同翅片結(jié)構(gòu)對析濕過程熱質(zhì)傳遞影響的模擬結(jié)果與分析95-96
• 4.5 本章小結(jié)96-97
• 第五章 翅片表面改性對液滴行為影響的數(shù)值模擬97-106
• 5.1 翅片表面改性對液滴行為影響的分析97-98
• 5.2 翅片表面改性對液滴行為影響的數(shù)值模型98-101
• 5.2.1 基本控制方程98-99
• 5.2.2 計算液膜形成過程的傳質(zhì)速率的子模型99-100
• 5.2.3 計算表面張力源項的子模型100-101
• 5.3 模型算法101
• 5.4 模擬結(jié)果與分析101-105
• 5.4.1 翅片表面改性對液滴行為影響的模擬結(jié)果與分析101-103
• 5.4.2 翅片表面改性對析濕過程熱質(zhì)傳遞影響的模擬結(jié)果與分析103-105
• 5.5 本章小結(jié)105-106
• 第六章 翅片表面液滴行為數(shù)值模型的實驗驗證106-130
• 6.1 翅片表面液滴行為數(shù)值模型的驗證思路106-108
• 6.1.1 液滴運(yùn)動模型的驗證思路106-107
• 6.1.2 液滴形成和生長模型的驗證思路107-108
• 6.2 翅片表面液滴運(yùn)動特性的數(shù)值模型的實驗驗證108-113
• 6.2.1 實驗裝置及工作原理108-109
• 6.2.2 液滴運(yùn)動過程最小接觸角模擬結(jié)果與實驗驗證109-111
• 6.2.3 液滴運(yùn)動速度模擬結(jié)果與實驗驗證111-113
• 6.3 翅片表面液滴形成和生長特性的數(shù)值模型的實驗驗證113-128
• 6.3.1 實驗裝置113-119
• 6.3.2 實驗工況119-120
• 6.3.3 實驗裝置可重復(fù)性及能量平衡分析120-121
• 6.3.4 實驗不確定度分析121-122
• 6.3.5 實驗數(shù)據(jù)處理122-126
• 6.3.6 實驗驗證結(jié)果126-128
• 6.4 本章小結(jié)128-130
• 第七章 總結(jié)與展望130-134
• 7.1 總結(jié)130-133
• 7.1.1 工作內(nèi)容130-131
• 7.1.2 結(jié)論131-133
• 7.1.3 創(chuàng)新點(diǎn)133
• 7.2 展望133-134
• 參考文獻(xiàn)134-146
• 致謝146-147
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表錄用的論文147-149

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本文編號：706466