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    能源塔波紋填料表面液膜流動過程模擬研究
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    能源塔波紋填料表面液膜流動過程模擬研究

    2020-08-08      閱讀:
    能源塔吸熱過程的實質是塔內波紋填料表面液相降膜與逆流氣相接觸發生熱質交換,為探究填料 表面液膜流動對能源塔內氣液兩相熱質交換過程的影響機制,文中建立了波紋填料表面液相降膜流動模型,模擬 了不同氣液相入口參數以及不同波紋結構的填料表面的液膜流動過程,通過對比各工況下填料表面穩定液膜的 特性,分析了影響液膜流動的關鍵因素,從氣液相接觸角度出發,尋求更加合理的氣液相入口參數和波紋 結構。

    1 氣液兩相傳熱傳質模型建立與求解 
    1. 1 物理模型
    能源塔內部沿著填料表面向下流動的液膜與逆 向上升的熱濕空氣直接接觸,并發生熱質交換。如圖 1 所示,x 為填料間距方向,y 為填料高度方向,z 為填 料寬度方向,液相從填料頂部以液膜的形式沿著壁面 向下流動,兩填料間氣相由填料底部流入填料頂部流出。本章假設流體在填料寬度方向上均勻分布,將實 際上的三維流動簡化為二維模型; 以 x = 0. 5 D( D 為 填料間距) 為對稱軸,假設兩片填料間的流場軸對稱,
    以對稱軸與左側填料間的流場作為本章的研究對象。 
    1. 2 數學模型
    由于氣液相界面未知,采用 VOF 模型與 Geo - Re-construct 界面重構法對氣液相界面進行求解追蹤,引 入參數 αi 表示網格單元中的相體積分數,以填料間氣 液兩相為模擬研究對象,分別以 αL 、αG 表示網格單元 內液相體積分數和氣相體積分數,網格單元的密度 ρ 和粘度 μ 由氣液兩相共同決定。

    基于 VOF 模型,忽略兩相間的熱質交換,針對能源塔內波紋填料表面液膜流動過程,建立非穩態層流 熱質交換流模型,控制方程如下:
    連續性方程:

    式中,ρ、μ 為平均密度與平均粘度; w 為濕空氣中 水蒸氣質量分數; Fx 、Fy 為動量源項。
    對于波紋填料間液相降膜與氣相逆流接觸流動 過程中界面處相間剪應力、填料壁面粘附力、表面張 力和重力產生的作用,以動量源項 F 的形式在控制方 程中予以體現,動量源項包括重力源項、氣液剪應力源項和表面張力源項三部分。 
    以壓降模型表示氣液剪應力源項,以散度定理體積力模型表示液膜表面張力源項,如式( 6) 和式( 7) 

    壁面粘附力作用實質是由于表面張力而產生的 固液間作用力,可以固液接觸角修正固體壁面附近液 面曲面法向量,以表面張力的形式表示為動量源項。
    1. 3 模擬計算方法
    采用 FLUENT 軟件進行模擬計算,模型前處理時
    根據本模型壁面形狀特點,采用了非均勻結構化貼體 網格。氣液界面剪切力源項通過 UDF 用戶自定義函 數編程實現。離散求解過程,時間項采用隱式格式離 散,動量方程的對流項釆用一階迎風格式離散; 壓力 項采用 PRESTO! 格式求解,壓力速度耦合方式采用 PISO 算法。模擬計算中釆用 Geo - Reconstruct 界面重 構法對氣液相界面進行追蹤。
    2 模擬結果與分析
    基于建立的數學模型,采用 10% 濃度的氯化鈣溶液作為液相流體,模擬了不同的液相入口速度、液膜 入口厚度、逆向氣流速度以及波紋填料結構參數時填 料表面液膜流動過程。
    2. 1 液膜形成過程
    圖 2 為波長為 50mm 波高為 5mm 的正弦波形波紋填料表面的液膜流動過程,液膜入口厚度為 2mm, 液相入口速度為 1m /s,氣相入口速度為 3. 94m /s。
    溶液以入口液膜厚度入口速度從填料上端流入, 沿著壁面從波谷流向波峰,液膜到達波峰時,在慣性 的作用下液膜前端有脫離壁面的趨勢,在重力作用下 有豎直向下流動,但在表面張力和界面剪切力的逆向 作用下液膜積聚,液膜厚度增加,積聚到一定程度時, 在重力作用下液膜發生斷裂形成液珠下落。液膜前 端在積聚與斷裂的過程中不斷,并在積聚的 過程中不斷濕潤填料表面,在液膜前端流過之后,在 表面張力形成的壁面粘性力的作用下將填料表面完 全濕潤,終形成完整液膜。
    2. 2 液相入口參數對液膜流動的影響分析
    圖 3 為在波長為 50mm 波高為 5mm 的波紋填料 表面,當氣相入口速度為 4 m /s,液相入口厚度為 4mm 時,不同的 液 相入 口 速 度 ( 0. 5m /s、1m /s 和 1. 5m /s) 下,溶液在波紋填料表面形成的穩定液膜情況。如圖 3 所示,液相入口速度為 0. 5m /s 時,穩定液膜厚度 小,表面波動性大; 液相入口速度為 1. 5m /s 時,穩定液膜厚度大,表面波動性小。圖 4 顯示的是在 不同的入 口 液相 流 速 下,液 膜 厚 度 隨 填 料 高 度 的 變化。從圖中可看出,在不同的液相入口流速下,呈現 出相同的規律,即液膜隨著填料壁面同步波動,液膜 厚度在填料波谷出現 大 值,在 填 料 波 峰 出 現 小值。液膜入口速度較小時,沿著填料向下流動,液膜 厚度在波動中減小; 液膜入口速度較大時,液膜厚度 在波動中。


    高度的變化。如圖 6 所示,在不同的入口液膜厚度下, 填料表面的液膜厚度波動幅度隨著填料高度的 而逐漸減小。同時,入口液膜厚度較小時,液膜厚度 的波動幅度越平穩,說明液相在填料波谷的積聚現象 較弱; 入口液膜厚度較大時,液膜厚度值波動幅度越 大,說明液相在填料波谷積聚的現象比較明顯。這是 由于,液膜厚度比較大流經波峰時,壁面粘性力以及 界面剪切力的逆向作用主要于液膜的近壁層和液膜

    表層,受逆向力作用較小的液膜內部溶液在重力作用 下向下流動,減小了液膜表面的波動性。
    從上述的模擬結果分析還可得,相同液相入口速 度下,不同入口液膜厚度形成的穩定液膜出口速度近 似相等,液膜 出口厚度 與 進 口 厚 度 成 一 定 的 比 例 關 系,不同入口厚度的液膜流經填料時間相近,氣液兩 相接觸時間相近。與此同時,入口厚度較小的液膜沿 填料壁面流動時液膜峰谷波動更加明顯,氣液兩相接 觸面積更大,更有利于傳熱傳質。因此,在保證一定 流量下,盡量選擇較小的入口液膜厚度。

    2. 3 逆向氣流速度對液膜流動的影響分析
    圖 7 為液相入口速度為 1m /s,液相入口厚度為2mm 時,氣相入口速度在 0 ~ 8m /s 范圍時,在波長為 50mm 波高為 5mm 的波紋填料表面,形成穩定液膜的 厚度曲線,不同氣相入口流速下的液膜厚度曲線幾乎 重合。根據速度場分布模擬果可知,由于液相與氣 相的密度與粘性系數存在數量級的差距,貼近液膜表 面的氣相形成向下的速度,遠離液膜的氣相以向上的 速度流動,在氣相中形成了速度為 0 的靜止氣相層,氣 相入口速度的改變對靜止氣相層形狀與位置的影響 甚微,靜 止 氣 相 層 為 液 膜 流 動 形 成 了 穩 定 的“保 護 層”,因此氣相入口速度對填料表面液膜流動的影響 可以忽略。
    2. 4 填料結構參數對液膜流動的影響分析
    圖 8 為液相入口速度為 1m /s,液相入口厚度為2mm,氣相入口速度為 4m /s 時,在波長為 50mm,波高 分別為 3mm、5mm、9mm 的波紋填料表面形成穩定液 膜情況。在波高為 3mm 和 5mm 的填料表面,形成的 液膜完全貼著填料壁面向下流動,而在波高為 9mm 的 填料表面,形成的液膜并未完全沿著填料波紋流經部 分波谷表面,在填料波谷處仍有空氣淤積。圖 9 顯示 了在不同波高的填料表 面,液 膜 隨 著 填 料 高 度 的 變 化。如圖所示,液膜隨著填料壁面同步波動,波高為 3mm 的填料表面液膜峰谷波動小,波高為 5mm 的填 料表面液膜峰谷波動大,然而 9mm 波高的填料表面 液膜波動反而略小于波高為 5mm 填料表面的液膜。這是由于波高較小時,液膜貼著填料壁面流動,液膜峰谷波動 主 要受 填 料 波 紋 波 動 的 影 響,而 波 高 較 大 時,液相跨越波谷從波峰流向波峰的液膜形成過程以 及穩定液膜中波谷氣相的淤積,削弱了填料波紋波動 對液膜波動的影響。根據模擬結果分析可知,填料波 高越大,填料表面液膜流動速度越小,流經填料的時 間長,氣液兩相接觸時間長,結合液膜表面波動 性對氣液 相 間接 觸 面 積 的 影 響,液 兩 相 的 接 觸 越 充 分,越有利于兩相熱質交換。

    3 結語 
    文中建立能源塔波紋填料表面液相降膜流動傳熱傳質模型,并在不同的氣液相入口參數及不同波紋 結構下,對填料表面液膜流動過程進行了模擬研究, 從氣液相接觸角度出發,比較分析了各參數對液 膜流動的影響,主要結論如下:
    ( 1) 較小的液相入口速度可延長液膜流經填料 時間,使得氣液兩相接觸時間長,液膜峰谷波動明顯,
    氣液兩相接觸面積大; 雖然以不同入口液膜厚度流入 的液膜對于填料表面氣液兩相接觸時間影響不大,但 是,入口液膜厚度較小的液膜,峰谷波動幅度更加明 顯,氣液兩相接觸面積更大。因此,在保證一定溶液 流量的前提下,較小的液相入口速度和入口液膜厚度 更有利于氣液相接觸。
    ( 2) 由于氣液相的密度與粘度存在數量級的差距,氣相中存在靜止氣相層,且氣相入口速度的改變 對其形狀與位置的影響甚微,氣相入口速度的改變對 液膜流動的影響可以忽略。
    ( 3) 填料波高越 大 填料 表 面液 膜流 動 速度 越 小,流經填料的時間長,氣液兩相接觸時間長,且 大波高填料表面波動性較強,填料波高越大越有利于 氣液兩相的充分接觸。
     

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