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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(kāi)始在翅片表面凝結(jié)析濕,此時(shí)翅片表面將出現(xiàn)冷凝液滴。隨著析濕過(guò)程的不斷進(jìn)行,液滴會(huì)逐漸生長(zhǎng)直到在重力和氣流曳力的共同作用下開(kāi)始發(fā)生運(yùn)動(dòng)最終流出翅片表面。冷凝液滴在翅片表面的形成、生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)特性,對(duì)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(jì)中。這就要求能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)析濕工況下?lián)Q熱器翅片表面冷凝液滴行為的模擬計(jì)算。因此,本文的研究?jī)?nèi)容包括翅片表面液滴形成、生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬、翅片結(jié)構(gòu)和表面改性對(duì)液滴行為的影響的數(shù)值模擬以及模型的可視化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(duì)液滴運(yùn)動(dòng)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(huì)發(fā)生沿重力方向和氣流方向的形變,進(jìn)而對(duì)液滴三相接觸線上各點(diǎn)的接觸角產(chǎn)生影響;通過(guò)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(lái)表征,開(kāi)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(jì)算模型;建立液滴運(yùn)行過(guò)程氣液兩相連續(xù)性方程和動(dòng)力守恒方程,通過(guò)接觸角模型將表面張力處理為體積力源項(xiàng)添加到動(dòng)量方程中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特性的影響。2)建立了描述翅片表面液滴形成和生長(zhǎng)特性的數(shù)值模型,得到了換熱器運(yùn)行工況對(duì)液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)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(duì)液滴成核自由能的影響,提出了通過(guò)成核數(shù)目和液滴成核臨界半徑求取成核過(guò)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(dòng)力-濃度梯度與液滴生長(zhǎng)過(guò)程傳質(zhì)速率的關(guān)系;建立液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)程的氣液兩相控制方程,將反映液滴形成和生長(zhǎng)特性的水蒸氣傳質(zhì)速率作為質(zhì)量源項(xiàng)加入連續(xù)性方程中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)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(duì)液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)算模型;通過(guò)該模型將表面張力處理為體積力源項(xiàng)添加到動(dòng)量方程中,實(shí)現(xiàn)了翅片結(jié)構(gòu)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特性影響的描述。通過(guò)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(guò)程傳質(zhì)速率的關(guān)系,將液膜形成過(guò)程的傳質(zhì)速率作為質(zhì)量源項(xiàng)加入連續(xù)性方程中,實(shí)現(xiàn)了親水涂層對(duì)液膜形成特性影響的描述。4)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了描述翅片表面液滴運(yùn)動(dòng)、形成和生長(zhǎng)特性的數(shù)值模型。針對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)速度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差為8.1%,最大誤差為10%。針對(duì)液滴形成和生長(zhǎng)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,當(dāng)液滴在豎直翅片表面形成和生長(zhǎng)時(shí),模型計(jì)算得出的液滴的分布與實(shí)驗(yàn)拍攝的照片中的液滴分布基本一致;對(duì)于傳質(zhì)因子jm,模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的平均誤差為17.3%,模擬結(jié)果與89%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在±25%以?xún)?nèi);對(duì)于傳熱因子jh,模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的平均誤差為11.8%,模擬結(jié)果與94%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在±20%以?xún)?nèi)。本文提出的模型能夠較好的預(yù)測(cè)液滴在翅片表面的形成、生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TK172
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 符號(hào)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(dòng)特性研究16-18
• 1.2.2 翅片表面液滴形成和生長(zhǎng)特性研究18-23
• 1.2.3 翅片結(jié)構(gòu)對(duì)液滴行為的影響研究23-25
• 1.2.4 翅片表面改性對(duì)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?jī)?nèi)容與技術(shù)路線27-30
• 1.3.1 研究?jī)?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(dòng)特性的數(shù)值模擬30-55
• 2.1 液滴運(yùn)動(dòng)機(jī)制分析30-32
• 2.2 液滴運(yùn)動(dòng)特性建模思路32-33
• 2.3 翅片表面液滴運(yùn)動(dòng)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(jì)算33-34
• 2.3.3 翅片表面液滴所受氣流曳力的計(jì)算34-37
• 2.3.4 翅片表面液滴所受壁面粘附力的計(jì)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(jì)算模型39-43
• 2.4 液滴運(yùn)動(dòng)模型的算法43-47
• 2.4.1 單液滴運(yùn)動(dòng)模型的算法43-45
• 2.4.2 多液滴運(yùn)動(dòng)模型的算法45-47
• 2.5 液滴運(yùn)動(dòng)特性的模擬結(jié)果與分析47-53
• 2.5.1 計(jì)算區(qū)域與邊界條件47-48
• 2.5.2 單/多液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬結(jié)果48-49
• 2.5.3 翅片表面特性對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響49-52
• 2.5.4 氣流曳力對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)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(zhǎng)特性的數(shù)值模擬55-77
• 3.1 液滴形成和生長(zhǎng)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(zhǎng)機(jī)制56
• 3.2 液滴形成和生長(zhǎng)特性建模思路56-58
• 3.3 液滴形成和生長(zhǎng)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(jì)算液滴形成過(guò)程的傳質(zhì)速率的子模型61-64
• 3.3.3 計(jì)算液滴生長(zhǎng)過(guò)程的傳質(zhì)速率的子模型64-66
• 3.3.4 其他補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)方程66-67
• 3.4 液滴形成和生長(zhǎng)模型的算法67-69
• 3.5 液滴形成和生長(zhǎng)特性的模擬結(jié)果及分析69-76
• 3.5.1 計(jì)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(zhǎng)過(guò)程的模擬結(jié)果71-73
• 3.5.3 翅片表面液滴對(duì)翅片附近濕空氣溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響73-74
• 3.5.4 運(yùn)行工況對(duì)液滴形成和生長(zhǎng)過(guò)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(duì)液滴行為影響的數(shù)值模擬77-97
• 4.1 翅片結(jié)構(gòu)對(duì)液滴行為影響的分析77-79
• 4.2 翅片結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)液滴行為影響的模擬結(jié)果與分析90-96
• 4.4.1 計(jì)算區(qū)域與邊界條件90-92
• 4.4.2 翅片結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)析濕過(guò)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(duì)液滴行為影響的數(shù)值模擬97-106
• 5.1 翅片表面改性對(duì)液滴行為影響的分析97-98
• 5.2 翅片表面改性對(duì)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(jì)算液膜形成過(guò)程的傳質(zhì)速率的子模型99-100
• 5.2.3 計(jì)算表面張力源項(xiàng)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(duì)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(duì)析濕過(guò)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證106-130
• 6.1 翅片表面液滴行為數(shù)值模型的驗(yàn)證思路106-108
• 6.1.1 液滴運(yùn)動(dòng)模型的驗(yàn)證思路106-107
• 6.1.2 液滴形成和生長(zhǎng)模型的驗(yàn)證思路107-108
• 6.2 翅片表面液滴運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證108-113
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理108-109
• 6.2.2 液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程最小接觸角模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證109-111
• 6.2.3 液滴運(yùn)動(dòng)速度模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證111-113
• 6.3 翅片表面液滴形成和生長(zhǎng)特性的數(shù)值模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證113-128
• 6.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置113-119
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)工況119-120
• 6.3.3 實(shí)驗(yàn)裝置可重復(fù)性及能量平衡分析120-121
• 6.3.4 實(shí)驗(yàn)不確定度分析121-122
• 6.3.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理122-126
• 6.3.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(hào)：706466