论文总字数：29631字

摘 要

溴化锂吸收式制冷方式因热力系数高而在吸收式空调制冷领域应用广泛。作为吸收式制冷机的重要部件之一，吸收器的性能对机组整体性能影响很大。管排与丝网交替结构是一种通过溶液流动方式的改变，来强化溴化锂溶液吸收水蒸汽性能的新型热、质耦合吸收芯体结构。溶液在管排和丝网结构表面的流动特性研究对揭示交替结构强化吸收的机理及其优化设计皆有重要意义。

运用Fluent软件的VOF模型，建立了气液两相流三维非稳态计算流体力学模型，对水平管外溶液降膜流动与单层丝网液膜流动的流动特性开展了模拟研究。水平管溶液降膜运动过程中，由于受管径、管子表面结构和性质、喷淋密度等约束，将造成流态发生变化。而丝网填料则将有利于将溶液引流至下方管子，促进溶液的均匀分布，同时延长溶液在吸收区域的滞留时间。着重分析了溶液在管子外表面和丝网区域流动的建模方法和建模过程，并给出了部分直观的表征不同流速下溶液的流动形态和液膜厚度分布的计算结果，以期对该领域进一步的深入研究和分析提供参考。

关键词：CFD；降膜流动；丝网填料；流动形态

Numerical Simulation on Liquid Flow Pattern on Tubes and Mesh Packing Alternating Structure

Abstract

In absorption refrigeration field, lithium bromide solution absorption refrigeration has been widely applied because of its high coefficient. In the lithium bromide refrigeration system, as one of the most important parts of absorption chiller, absorber has significant influence on the whole refrigeration system. Tubes and mesh packing alternating structure could strengthen absorption properties of lithium bromide solution with heat and mass transfer coupling alternating structure by means of changing flow pattern. Study on liquid flow on the structure is significant for revealing the mechanism and achieving the optimization design.

The 3D computational fluid dynamics model with gas-liquid flow has been established by software Fluent with VOF model. The simulations on single horizontal tube with falling film and mesh guider with film flow have been taken. During the process of horizontal-tube falling film, which was constrained from the pipe diameter, structure and properties of the tube surface, and spray density, the flow pattern could be changed. To make uniform distribution of the solution on the tubes below, and extending the residence time of the solution in the absorption zone, mesh screen was added. Therefore the analysis focused on the modeling method and the process on single horizontal tube with falling film and mesh guider with film flow. Intuitive liquid flow pattern and the thickness of the liquid film with various velocity has expressed in order to provide the reference for further analysis and optimization of the packing structure.

Key words: computational fluid dynamics; falling film flow; mesh packing; flow pattern

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 降膜吸收理论研究 1

1.3 水平管束降膜吸收流动形态国内外研究 3

1.4丝网填料表面液膜流动 3

1.5 本文研究内容 5

第二章 溴化锂溶液物性 6

2.1 粘度系数计算 6

2.2 密度计算 6

2.3 表面张力系数计算 7

第三章 气液两相流CFD模拟 8

3.1 气液两相流中的CFD研究 8

3.2 CFD分析 9

3.3 VOF模型 10

3.4 水平圆管外降膜流动CFD模拟 11

3.4.1 数学和物理模型 11

3.4.2仿真条件设置 13

3.4.3 结果分析 17

3.5 单层丝网表面液膜流动CFD模拟 24

3.5.1数学物理模型 24

3.5.2仿真条件设置 26

3.5.3 结果与分析 27

第四章 总结与展望 29

4.1 研究内容及结论 29

4.2 工作展望 29

致谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

溴化锂吸收式制冷机以热能为驱动能源，不但可以利用锅炉蒸汽和各种燃料所产生的热能，而且还可以利用地热能、太阳能和工业废热等低品位热源，所以说溴化锂吸收式制冷机在改善能源结构，平衡电力负荷，以及余热回收再利用等方面都起着重要的作用^[1]。作为一种绿色环保的制冷空调设备，它的应用前景是相当广阔的。从溴化锂吸收式制冷机在近30年的应用和发展上来看，尽管已经取得了较好的经济和社会效益，但是从吸收式制冷机组的整体性能以及经济性上来看，性能亟待改善。

作为影响溴化锂吸收式制冷机性能的关键部件之一，吸收器持续的吸收低温低压水蒸汽，保证吸收式制冷机能够持续的稳定工作。而且吸收器占据了制冷机全部传热面积的将近三分之一，它的结构和性能在对系统的整体体积和效率影响很大^[2]。

吸收器的性能与内部填料的结构是密切相关的，水平管束降膜吸收器，因为其不但制造成本低，而且便于安装。然而，水平管束吸收器的吸收性能会因为其本身的结构，产生一定的实际问题。其中一个主要问题就是水平管的表面只能够局部润湿。在水平管束降膜吸收器中，液膜从喷淋口进入，沿水平管的表面从上而下流动，沿着流动的方向，水平管束表面的的润湿比会出现逐渐降低，部分管子的表面甚至会出现大面积的“干涸”现象，此时，随着吸收面积的减少，吸收性能会随之降低。此外，管与管之间的流态变化也会影响到吸收性能，管之间的流态受很多因素的影响，比如管径、管间距、流量、管子表面的结构与性质等，而管间的不同流态会直接影响到管子表面的润湿比，从而影响到吸收性能^[3]。而如果在冷却水管束之间布置引流型丝网层，构成交替的热质耦合传递结构，不仅能延长溶液在吸收区域的滞留时间，充分混合溶液以保持吸收驱动势，而且在毛细张力和重力驱动下，使丝网层在将溶液引流至其两侧下方的管子的上沿均匀分布，丝网层所含蓄的溶液亦形成面积扩大多倍的双面液膜传质表面，从而有望大大提升吸收器的效能。因此深入研究溶液在该结构中流动、传热和组分迁移的理论建模和计算，针对水平管外溶液降膜流动与单层丝网液膜流动的流动形态和液膜厚度进行分析，对揭示交替结构强化吸收的机理及其优化设计皆有意义。

1.2 降膜吸收理论研究

水平管外降膜流动是传热中常见和重要的换热方式，这个过程广泛的应用于脱盐、制冷化学工业和食品工业中。水平管束的优点在于：阻力可以非常小，从而引起的流动压降几乎可以忽略，而且冷却水量的需求少，传热系数相对较高^[4]。而且，水平管束降膜流动对于解决管壁污垢、不凝性气体和其它一些换热器中比较常见的难题都具有一定的优势。

图1-1为吸收器降膜吸收过程的示意图。高温的浓溶液从顶部的喷淋口流入，喷淋到内部通有冷却水的水平管束上，溶液在水平管束上发生降膜流动，并不断的吸收着从吸收器下方进入的水蒸汽，同时与通有冷却水的水平管进行换热，这样的话，溶液的温度与浓度都会有所降低^[5]。

图1-1 吸收器内水平管束上降膜吸收示意图

如上图所见，当流体流至水平圆管时，沿着管外表面进行降膜流动，随着流量的增加，逐渐会呈现出滴状、柱状和帘状等不同的流动模态，如图2所示，不同的降膜流动会直接影响到传热传质机理。

图1-2 理想管间流动模态（a-滴状；b-柱状；c-帘状；d-Taylor 不稳定性）

1.3 水平管束降膜吸收流动形态国内外研究

水平管束降膜换热器应用广泛，为提高其换热效率，许多研究者对水平管束上的降膜流动作了研究。

Mitrovic^[6]对过冷溶液在加热的水平管上的降膜流动进行了实验观察，表明管间不同的流动模态与雷诺数和管间距是有关系的。而且他以水为流动工质，得出了不同流动形态对应的雷诺数数值范围。

Hu和Jacobi^[7]通过实验，分别以四种工质，研究管径、喷淋流量和管间距对降膜流动的影响。结果表明，降膜波长与流量和管径有关，随着流量的增加而减少，随着管径的增加而增加。而管间距对波长的影响则相对较弱。

Ribastki^[8]在对水平管束降膜流动的研究成果整理后，包括降膜流动的流态和其它一些实验参数对传热性能的影响程度。

Rogers^[9]使用无量纲方程，用阿基米德数，雷诺数和水平管表面方位角三者的函数来表示不同位置上的液膜厚度。之后，Rogers和Goindi^[10]通过实验研究，得到较大直径的水平管表面液膜厚度，比较实验测量得到的实验值与理论值之后，他们提出了新的水平管表面降膜流动液膜厚度的预测公式。

Kocamustafaogullari和Chen^[11]则是展开理论分析，模拟水平管束降膜流动蒸发器的传热传质特性，结果表明，管束间的溶液降膜流动是很细的连续的液柱，当连续的液柱与水平管壁碰撞之后，沿着水平管壁，形成均一化的自由流动。

Roques和Thome^[12]通过比较不同管束之间降膜流动不同，说明不同管表面结构对溶液降膜流动模态转变的影响。

王书中^[5]依据实验，使用溴化锂水溶液、水、乙二醇作为流动工质，得到不同高效管上降膜流动形态的转变，并且将结果与光管上的流动形态进行了对比。

Liu和 Y^[13]对水在水平管束降膜的传热情况进行了实验研究，选择不同表面结构的管束作为对象。结果表明，对于水来说，将管表面的结构增强能够极大的提高蒸发传热。Chen^[14]，Bandelier^[15]和Hari^[16]等对旋转水平管对降膜流动的影响进行了研究。Chen^[17]基于理论分析，对液膜沿旋转的垂直筒体的外表面流动稳定性进行研究。结果表明，增大转速，以及降低圆筒半径会增加流动的不稳定性。

1.4丝网填料表面液膜流动

填料作为一种重要的传质元件，性能有如下基本要求^[18]：

(l)传质效率高，要求填料能够提供较大的气液接触面，即要求有较大的比表面积，并且要求填料表面易被液体润湿。

(2)生产能力大，气体压降小，因此要求填料的空隙率大。

(3)不易引起沟流和偏流。

为了更好地满足这些要求，填料的结构进行着不断的改进。规整填料，按照均匀的几何图形进行排布，整齐规则。填料结构客观规定气体和液体的流路，一定程度上减少了出现沟流和偏流的概率。并且压降很小的同时，规整填料可以提供更大的比表面积，当容积一定时，传热传质效果会相对较好。而且规整填料由于其自身结构，均匀并且规则对称，会有较大的孔隙率，也就会有较大的流动通量，在工业生产中应用广泛^[19]。

图1-3 Sulzer BX 型波网填料

波网填料是用金属丝网制成，金属丝网波纹填料作为其代表性产品, 20世纪60年代由瑞士苏尔寿公司研制成功。美国格利奇公司,科克(Koch)公司、日本住友公司先后加入到了丝网填料的应用和开发，并且积极进行了理论研究和推广。经过40多年的发展，金属丝网波纹填料成为应用广泛的高致密性填料，规格和品种都很齐全，在香料、精细化工、医药等行业得到广泛的应用^[3]。它组装规整、材料细薄、结构紧凑，孔隙率较大，而且细密的网孔，对液体产生毛细管作用，可以使少量的液体在丝网表面形成均匀液膜，可以提高表面润湿率^[20]。

清华大学宋新月等^[22]研究了4种高比表面积金属丝网波纹填料的流体力学及传质性能。结果表明：900Y和1100Y型丝网填料的综合性能较好。传统观念认为通过增大波纹填料的比表面积来能够达到提高传质性能的目的，具有局限性。应当综合考虑因素，并且根据具体要求，来选择较高比表面积的波纹材料。

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