板翅式換熱器中換熱過程都伴隨著相變，冷流體發(fā)生蒸發(fā)相變，相對于單相區(qū)對流換熱，相變區(qū)域的潛熱換熱過程傳熱性能更強，是換熱器中的關鍵的換熱發(fā)生區(qū)域。板翅式換熱器性能提升的關鍵在于正確掌握兩相相變過程中的熱值傳遞特性。

　　針對板翅式換熱器的兩相研究主要集中于不同結構分配器的分配性能分析以及兩相均布器的性能優(yōu)化。因此，需要建立適用的傳熱傳質模型，以反映板翅式換熱器的汽化相變過程。

　　1、數(shù)值模型

　　1.1 模型對象描述

　　通常板翅式內部結構如圖 1 所示，由流道的入口流入后，通過封條未堵住的通道開口，流入對應流道的換熱翅片層，經過一定長度的均流分布段后，均勻流入包含翅片的換熱通道，并與相鄰層間不同流道的介質發(fā)生換熱，在經過均流段匯集至出口對應的封頭區(qū)域，*后從出口流出。

　　流體在流動通道中發(fā)生的傳熱過程根據(jù)流體相態(tài)可以分為3 個階段：過冷段、兩相段、過熱段。對于冷流體在整個過程中存在汽化沸騰現(xiàn)象，其中 帶來的不同相間的熱值過程對傳熱的影響十分顯著。

　　則正確描述兩相段的汽化相變過程在板翅式換熱器的傳熱性能研究中十分關鍵。 板翅式換熱器中，冷流體在低干度下的汽化相 變過程屬于流動沸騰，此時主要的傳質發(fā)生區(qū)域是聚集在換熱表面。對于產生的氣泡，熱容相對小， 局部溫度會上升，使得周圍液相汽化，氣泡尺寸增 長，然后脫離壁面。

　　對于中干度情況下，環(huán)狀流的氣液發(fā)生分層，換熱表面接觸的主要相仍為液相， 因此傳質過程與低干度類似，但在氣泡成長后會發(fā) 生突入中間氣相部分的現(xiàn)象，在液膜較薄的情況下，可能會發(fā)生液膜斷裂，氣相與換熱壁面直接接 觸，傳熱性能開始發(fā)生下降。在高干度霧狀流，換 熱壁面主要接觸氣相，為顯熱傳熱，氣相熱容小，溫度上升快，傳熱性能急劇下降，傳質區(qū)域主要發(fā) 生在兩相的相界面。

　　換熱通道內介質兩相間的相互作用主要有以下 3 種：

　　1）氣相成核、脫離過程；

　　2）氣泡成長突破液膜的過程；

　　3）氣相流速增大，撕裂液膜、夾帶液滴的過程。

　　在整個汽化相變過程中，起到決定性作用的力有 5 種，分別是氣相粘性力、液相粘性 力、氣液相間表面張力、氣液相間的剪切作用力、重力，如圖 2 所示。 通過在模型的連續(xù)性方程中加入氣液兩相質量傳遞源項，在動量方程中加入表面張力源項和剪 切力源項，在能量方程中加入潛熱傳熱源項，從而 將汽化相變過程需要考慮的各個因素反映到控制方程中。

　　1.2 控制方程

　　根據(jù) N-S 方程，對于圖示的 3 種類型的控制單元，針對汽化相變模型可建立如下的基本控制方程。氣相和液相的連續(xù)性方程如下：

　　式中，αl 和α1 分別代表控制單元內部氣相和液相的體積分數(shù)；右側為傳質質量源項 Sm，反映傳質 過程中兩相間的傳質質量；Fσ 為表面張力項； ?·(k?T)為顯熱源項，Q 為潛熱源項；Fσ 表面張力 項，可通過連續(xù)表面張力（CSF）模型求取：

　　2、求解方法

　　本文數(shù)值模擬使用的模型如圖 3 所示，選用了 平直形板翅式換熱器的換熱通道為例，基于商用軟 件 FLUENT 進行流動模擬。

　　采用 VOF 模型作為模 擬兩相流模型，連續(xù)表面張力模型（CSF）作為模 擬表面張力模型，實現(xiàn)兩相分布、流型轉變過程的模擬；同時通過 FLUENT 的用戶自定義方程(UDFs) 分別建立針對壁面及非壁面的傳質模型，以實現(xiàn)通 過對網格類型的判斷以采用不同方式計算傳質質量，模擬實現(xiàn)氣泡形成、突破液膜的過程；采用VOF-CSF 模型作為表面張力模型。

　　模擬使用六面體結構化網格進行網格劃分，對通 道表面的邊界層區(qū)域以及可能出現(xiàn)氣液交界面的區(qū) 域進行了加密。網格獨立性驗證結果如下，在*大網格尺寸不超過 0.05 mm 時且壁面附近的網格單元尺寸不超過 0.0025 mm 時，換熱系數(shù)及傳質質量計算誤 差低于 2%。因此采用 0.05 mm 作為基準網格尺寸及 0.0025 mm 作為邊界層加密尺寸，保證模擬結果精度。3、結果分析

　　3.1 模型驗證

　　模型驗證結果如圖 4 所示。 通過與實驗結果對比，兩相工況下傳熱趨勢與 實驗結果趨勢一致，*大的誤差為 10.57%，出現(xiàn)在 低干度區(qū)域。平均傳熱系數(shù)的偏差為 6.6%。

　　3.1 不同干度下流型模擬

　　分別針對質流密度對應的工況進行模擬，對應的近飽和流的相變情況如圖 5 所示。 在低干度工況下，氣相占據(jù)空間較少，氣泡以離散形式存在，受到液相拖曳而流動，此時氣液兩 相的流速是相同的，不存在滑移速度。

　　在中干度工況下，由于氣相增加，占據(jù)空間也隨之增加，氣泡之間形成連續(xù)的氣流，從而將液相 阻斷，形成氣液交界面。在換熱器的流動通道為水 平且流動速度較低的情況下，由于重力的作用，使得液相會向通道一側聚集，此時形成的流型為分層 流；在換熱器流動通道方向為豎直方向的情況下， 液相不會發(fā)生單層聚集的情況，此時由于液相粘性力及氣液相間表面張力的作用下，液相會趨向于附著在通道表面，而氣相在通道中心流動，氣相的流 動速度會高于液相，產生滑移速度，此時的流型為 環(huán)狀流；在通道水平且高質流密度的情況下，也會形成環(huán)狀流，但上下兩側的液膜厚度會有所差異。

　　在高干度工況下，由于氣相已經占據(jù)了絕大部 分的通道空間。由于液相體積不足無法形成液膜，液相只能以小液滴的形式存在，受到高速氣流的卷 襲而隨之流動，而部分液相會因重力作用趨于一側 的現(xiàn)象依然存在。

　　3.2 相變傳熱傳質過程模擬

　　在引入了傳熱傳質模型后，板翅換熱器通道內傳熱傳質過程的模擬結果如圖6 所示。

　　由圖中可看出，液膜在壁面與高溫的管壁發(fā)生換熱，由于達到飽和壓力，發(fā)生汽化成核，并隨著傳質質量的增加而長大，然后跟隨液相的流動離開。

　　隨著干度增加后，部分較大氣泡相互接觸，形成更大的氣泡，并受到液相的拖曳作用而拉長，由于重力的作用下，氣泡開始附著到了通道的一側，形成了分層流。在低質流密度的工況下，由于流速 較慢，氣泡受到的拖曳作用也越小，更趨于形成氣 液分層的情況，此時氣相與壁面直接換熱，傳熱系數(shù)下降。而對于高質流密度的工況而言，由于氣泡難以在低干度下聚集變大，因此壁面上主要還是液相，從而傳熱系數(shù)相對于低質流密度要高。

　　3.3 不同傳熱溫差工況傳熱性能對比

　　質流密度為 20 kg/m2 kg，不同熱流密度的工況的傳熱系數(shù)如圖7所示，傳熱系數(shù)隨著熱流密度增大而增大，并在中低干度下增幅明顯，而在高干度下傳熱系數(shù)的增幅下降。而傳熱系數(shù)隨干度上升呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，不同熱流密度下傳熱系數(shù)的下降節(jié)點都在 0.4 干度附近。熱流密度為 6,000 W/m2 ，不同質流密度的工況的傳熱系數(shù)如圖8所示，傳熱系數(shù)隨著質流密度增 大而增大，并呈現(xiàn)正比上升的趨勢。不同質流密度下隨著質流密度上升，傳熱系數(shù)*高點出現(xiàn)時的干度上升，質流密度 60 kg/m2 s 時，*高點則出現(xiàn)在 0.4 附近，而質流密度 60 kg/m2s 時出現(xiàn)在 0.6 附近。

　　4、結論

　　1）基于 VOF 模型、連續(xù)表面張力模型、接觸角模型，建立了板翅式換熱器汽化相變過程的數(shù) 值模擬模型。

　　2）針對相變過程中發(fā)生的傳質現(xiàn)象，在連續(xù)性方程引入質量傳遞項，以預測在通道內部發(fā)生 的氣泡產生過程；在能量方程加入潛熱項，以預測伴隨著傳質過程的介質溫度變化。

　　3）對不同干度下的飽和狀流、泡狀流、環(huán)狀流、霧狀流等流型進行了模擬，結果顯示流型不 僅與干度工況有關，還與質流密度有關。

　　4）對不同質流密度工況下的全液相的傳質模型進行模擬，高質流密度工況下不易形成氣液分 層現(xiàn)象，有利于傳熱。

　　5）傳熱系數(shù)隨著熱流密度增大而增大，并在中低干度下增幅明顯；傳熱系數(shù)隨干度上升呈現(xiàn) 先上升后下降的趨勢；傳熱系數(shù)隨著質流密度增 大而增大，傳熱系數(shù)*高點出現(xiàn)時的干度上升。

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