針對表面式換熱器殼側(cè)的實(shí)際物理過程,對于飽和蒸汽以一定的來流速度豎直向下垂直掠過水平管并在溫度較低的管道外壁表面發(fā)生的層流膜狀凝結(jié),本文基于普朗特單相流體邊界層理論和惠特曼經(jīng)典氣-液雙膜理論,在垂直于水平管軸向的截面上建立了關(guān)于飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)的二維數(shù)值求解模型。本文分析了干飽和蒸汽掠過單根水平冷卻管發(fā)生層流膜狀凝結(jié)問題的簡化、建模過程,最終得到了二維數(shù)值求解模型。模型中,凝結(jié)液膜層流體的控制方程組包括質(zhì)量、動量和能量方程,蒸汽邊界層蒸汽的控制方程組包括質(zhì)量方程和動量方程。在參考拉普拉斯對單相流體邊界層問題的級數(shù)求解以及Deyi Shang對飽和蒸汽在水平壁面上部發(fā)生層流膜狀凝結(jié)的相似分析過程的基礎(chǔ)上,文中利用矩陣求解方程組的原理,對使用泰勒展開進(jìn)行離散的凝結(jié)液體和蒸汽邊界層蒸汽的偏微分控制方程組進(jìn)行了處理,最終獲得了凝結(jié)液膜層和蒸汽邊界層內(nèi)流體的速度分布、凝結(jié)液膜內(nèi)流體的溫度分布。在此基礎(chǔ)上獲得了飽和蒸汽掠過水平管發(fā)生層流膜狀凝結(jié)過程中的局部凝結(jié)液膜厚度、對流換熱系數(shù)和努塞爾數(shù),以及從上部滯止點(diǎn)到計(jì)算終止時飽和蒸汽在水平管外壁面發(fā)生層流膜狀凝結(jié)的平均液膜厚度、對流換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)的求解方法。論文采用沿管壁外表面圓周方向的正交隨體坐標(biāo)系,對流動蒸汽掠過水平單管的層流膜狀凝結(jié)過程進(jìn)行了求解,分析了蒸汽凝結(jié)過程中外壁面附近兩相流體的流動、換熱特性。本文對飽和蒸汽在水平冷卻管外的層流膜狀凝結(jié)進(jìn)行了敏感性分析,研究了蒸汽主流飽和溫度_sT、水平冷卻管直徑D、蒸汽主流來流速度U_∞以及飽和蒸汽溫度與水平冷卻管外壁面溫度之差ΔT等因素對飽和蒸汽層流凝結(jié)的影響。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL353.13
【部分圖文】：

蒸汽層流膜狀凝結(jié)示意圖

δ δq圖2.1 單相流體邊界層問題示意圖得到流場和溫度場的控制方程組[52]如下：0u vx y + = (2-10)22u u 1dP uu vx y dx yνρ + = + (2-11)22T T Tu vx y Cp yλρ + = (2-12)單相邊界層理論的求解由Blasius H.率先完成求解，經(jīng)過近百年的發(fā)展，單相邊界層對流換熱問題的求解方法有級數(shù)解解法、差分?jǐn)?shù)值計(jì)算法、積分方程解法、相似解法和奇異攝動法等。邊界層研究方向則有：在任意（非）正交坐標(biāo)系下，由軸對稱、平面二維問題向三維問題發(fā)展；開始逐漸考慮邊界層的高階效應(yīng)，如“部分拋物型”邊界層理論[56]。本節(jié)整理了單相流體層流對流換熱問題的控制方程組（2-10）~（2-12）的推導(dǎo)過程，為下面蒸汽層流凝結(jié)過程中引入數(shù)學(xué)方程做鋪墊。2.2 單相層流控制方程組在蒸汽層流膜狀凝結(jié)中的應(yīng)用2.1.1 飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)過程簡介實(shí)際中蒸汽在冷壁面上的凝結(jié)過程大都是含不凝性氣體的混合氣體相變換熱過程，

非線性偏微分方程組（2-13）~（2-17）的完整求解。2.3 物理模型及坐標(biāo)系如圖2.4所示，假定無限空間中存在以一定速度豎直向下流動的干飽和蒸汽，空間中存在一個水平冷卻管。來流蒸汽以恒定速度U∞豎直向下垂直掠過水平冷卻管道，管道外壁面溫度恒定且為wT ，飽和蒸汽溫度為sT 。蒸汽在溫度較低的壁面上凝結(jié)，從水平管上部滯止點(diǎn)A（后面簡稱點(diǎn)A）開始沿水平管圓周方向向下運(yùn)動。如圖2.4所示，由于蒸汽和凝結(jié)液沿水平管兩側(cè)的向下運(yùn)動以及流動中換熱過程的條件是相同的，兩側(cè)流體在水平管底部滯止點(diǎn)B（后面簡稱點(diǎn)B）處匯集�？紤]到凝結(jié)液的流動速度很小，且質(zhì)量流量不大

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本文編號：2816919