蒸汽及含不凝气体蒸汽在竖直及倾斜管内凝结传热的数值模拟工程硕士分析

直管内的凝结情况。本文先通过对研究背景的介绍，阐述了冷凝器在各领域的广泛应用，表明研究凝结传热的重要性，通过对凝结机理的分析，明确了含不凝气体蒸汽凝结的复杂性。通过对国内外蒸汽凝结研究现状的文献调研，发现通过数值模拟研究蒸汽凝结现象可以摒弃理论分析的局限性和实验研究的成本高、周期长的困难，于是对蒸汽的管内凝结开展了数值模拟研究。


1.2 蒸汽凝结传热机理简介
为了开展蒸汽在管内流动凝结时传热特性的深入研究，有必要首先了解一下纯蒸汽与含不凝气体的蒸汽凝结的内在机理及区别。
1.2.1 纯蒸汽凝结的机理简介
蒸汽凝结是一个蒸汽冷凝为液体并放出潜热的相变过程，当环境温度低于蒸汽压力所对应的饱和温度时，凝结现象就会发生并一直持续。纯蒸汽凝结机理主要是蒸汽与气液界面间的分子往返扩散运动组成的。当蒸汽分子到达气液界面的流率高于离开气液界面的流率时就发生凝结，反之发生蒸发。当达到稳定状态时，往返流率相等[1-3]。纯蒸汽在管内凝结过程中，液膜厚度是影响蒸汽凝结的主要热阻。
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结方式，即膜状凝结和珠状凝结。珠状凝结具有不稳定性，易转化为膜状凝结。因此，工业上遇到的凝结方式通常是膜状凝结[4-10]。凝结的方式与液相所处的流场将会影响到管内凝结的流型[11-13]。

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第二章 管内凝结数值模拟方法研究

2.1  计算方法与模型选择
计算流体力学的进展为进一步深入了解多相流的动力学提供了基础。目前有两种方法用于数值计算。分别是欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法，他们分别是基于欧拉描述方法和拉格朗日描述方法得来的。
在欧拉-拉格朗日方法中流体相是连续相，用 Navier-Stokes 方程进行求解。该模型可以确保流体相和离散相之间的质量、动量以及能量的交换，运用这个方法可以较好的处理粒子负载流动或者液体燃料燃烧等问题，但对于我们所要研究的第二相体积不可以被忽略的气液两相问题时这个方法并不适用。
在欧拉-欧拉方法中，将不同的相作连续处理。由于相位的体积不能被其他相位所占据，这意味着相并不是连续的可以相互贯穿的介质，所以引入了体积分数的概念。这些体积分数被假定为空间和时间的连续函数，它们的和等于 1。
常用的多相流模型有流体体积模型（VOF）、混合物模型（Mixture）和欧拉模型（Eularian）。
欧拉模型通过求解各相的流动方程来分析相互渗透的各种流体或各相流体，在求解每一相时都需要求解 n 个动量方程和连续性方程。
混合物模型求解的时混合物的动量方程，并通过相对速度来描述离散相，该方法主要使用于流体或颗粒的两相流或多相流。
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2.2UDF 的编写
用户自定义函数（UDF）是 C 或 C++函数，可以动态加载 ANSYS Fluent 求解器，以增强其标准特征。例如，可以使用 UDF 自定义边界条件、材料特性、表面和体积反应速率、ANSYS Fluent 传输方程中的源项、用户定义标量（UDS）传输方程中的源项，扩散率函数等。UDF 是使用 ANSYS Fluent 提供的 DEFINE 宏定义的。他们使用访问 ANSYS Fluent 解算器数据和执行其他任务的附加宏和函数进行编码。每个 UDF 必须在开头包含 udf.h 文件包含指令（#include“UDF.h”）在源代码文件中，它既可以定义宏，也可以定义 ANSYS 提供的其他宏和函数。

第三章 竖直管内纯蒸汽凝结热传递特性研究................................. 33
3.1 模型建立.............................33
3.2 竖直管内纯蒸汽流动特性研究........................ 36
第四章 倾斜管内纯蒸汽凝结热传递特性研究.................................. 53
4.1 物理模型与计算设置............................................53
4.1.1 物理模型与网格划分...................................53
4.1.2 边界条件设置.................................55
第五章 竖直管内含不凝气蒸汽凝结传热特性分析...........................64
5.1 组分输运模型............................... 64
5.2 模型设置与边界条件.........................64

第六章 波节管内纯蒸汽流动传热特性研究

6.1 模型设置
6.1.1 几何模型及网格划分
本章以纯蒸汽为工质，对波接管内蒸汽传热过程进行研究。假设流动为二维瞬态，忽略管内流体的质量力，且认为波接管管壁为刚性，忽略流固耦合作用。建立波接管模型时，在波接管的进、出口端各增加 0.01 m 的直管段，以避免流体进、出口段的影响。管长方向上，为使流体达到充分发展，除进、出口直管段外，波接管管长取 15 个波节和 14 个波节间距的长度。图 6.1 为光滑管和波接管的物理模型，光滑管和波接管的具体尺寸如表 6.1 所示，波接管采用二维轴对称模型，仅用一半进行数值模拟计算。

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结论
本文以凝结理论为基础，以数值模拟为手段，以圆形管道为研究对象，模拟了纯蒸汽在竖直、倾斜管及波节管中的凝结过程，同时模拟了含不凝气（干空气）蒸汽在竖直管内的凝结情况。
本文先通过对研究背景的介绍，阐述了冷凝器在各领域的广泛应用，表明研究凝结传热的重要性，通过对凝结机理的分析，明确了含不凝气体蒸汽凝结的复杂性。通过对国内外蒸汽凝结研究现状的文献调研，发现通过数值模拟研究蒸汽凝结现象可以摒弃理论分析的局限性和实验研究的成本高、周期长的困难，于是对蒸汽的管内凝结开展了数值模拟研究，具体内容与结论总结如下：
（1）基于气液两相流的控制方程，通过对各种相变模型的分析，建立了纯蒸汽及含不凝气蒸汽凝结模型，该模型考虑了界面处的质量平衡，总通量包含了扩散分量以及对流分量，并可用于计算多组分相的质量输运。
（2）通过对多相流模型的分析与对比，明确了以 VOF 模型为捕捉相液界面的数值模拟方式。在利用 UDF 对 Fluent 进行程序的二次开发后，通过向模型中添加源项的方式实现了气相与液相的质量输运，并完善了逻辑结构使得程序可以自行寻找冷凝壁面，通过压力判别法进行质量通量的计算以实现凝结，以此得到较为真实的凝结过程。
（3）通过对纯蒸汽在竖直管道内的凝结模拟，研究了凝结过程中的流动特性和传热特性。分析对比了不同壁面温度、不同蒸汽流速、不同管径对蒸汽凝结流动特性和传热特性的影响，并得出以下结论：竖直管内的凝结流型均呈现环状流，且不随管径等因素的变化而变化。蒸汽流速的增大、管径的减小，壁温的降低以及使用导热系数较高的材料都会增强凝结传热效果。
（4）通过对纯蒸汽在倾斜管道内的凝结模拟，得到了不同倾斜角度和流速对管内压力和传热系数的影响。其结论如下：随着倾斜角度的增加，管内压降逐渐减小；相同管径下，随着速度的增加，倾斜角度对传热效果的影响逐渐减弱；蒸汽入口速度为 1m/s，管径为 0.1 m 下的最佳倾斜角度为 45°。蒸汽入口速度为 2 m/s，管径为 0.1 m 下的最佳倾斜角度为 15°。蒸汽入口速度为 0.5 m/s，管径为 0.1 m 下的最佳倾斜角度为 60°。
参考文献（略）