含功能涂层分割壁面降液膜流动过程的数值模拟

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雾霾的肆虐将节能减排提上了全新的高度。能够回收工业余热,提高能源利用率的热泵技术正逐步走进人们的视野。吸收器是热泵的核心设备,对于提高热泵的转化效率起到了决定性作用。竖管吸收器由于占地面积小、结构简单等优点应用前景广泛。研究竖管吸收器内的降液膜流动机理,以提高热泵性能,成为当前的热点话题。本文希望通过数值模拟软件,在降液膜流动壁面上添加疏水涂层构型,从而构成功能涂层分割壁面,研究亲疏水组合壁面对降液膜流动过程的影响。建立含功能涂层的二维竖直壁面降液膜流动模型,利用VOF方法对最小喷淋密度定义式进行了验证。以最小喷淋密度为界,分别模拟了喷淋密度小于最小喷淋密度和喷淋密度大于最小喷淋密度时有无涂层的降液膜流动行为:对于喷淋密度小于最小喷淋密度的情况,壁面上会出现干斑,流至涂层区域的降液膜会发生积聚现象,在降液膜内部出现涡流,对于传热传质过程有利;实际的工业操作大都是喷淋密度大于最小喷淋密度的情况,降液膜会将壁面完全覆盖,降液膜内部并无涡流产生。通过分析流动稳定后有无涂层时降液膜的波动形态,结合湍动强度的概念引入变异系数,利用统计分析的方法对降液膜内部的扰动情况进行分析比较。由于二维模型简化了液相入口宽度方向,使得该方向上的波动情况无法判断,因此结合已有文献建立了含功能涂层三维竖直壁面降液膜流动模型。通过模拟计算,其与二维模型的结论吻合良好,同时也分析比较了降液膜流动稳定后有无涂层时沿液相入口宽度方向上的扰动情况。给定特定的喷淋密度,在流动稳定后,有涂层时壁面特定位置处垂直于流动方向上的速度分量较无涂层时大,并且二维和三维模拟得到的垂直于流动方向上速度分量的变异系数也是有涂层时大,这都表明涂层区域的存在能增强降液膜内部的扰动效果。对于二维模型,分别设置涂层的接触角为70。(无涂层)、100。、120。、150。,涂层区域的长度为0mm(无涂层)、5mm、l0mm、15mm,也得到了相同的结论。但也发现并不是涂层的接触角越大越好,也不是涂层区域的长度越长越好。对于特定的模型,寻求一个最优的涂层接触角和涂层区域长度仍有待进一步的研究。模型的建立都经过了Nusselt理论的验证,得到的结论与已有的高温竖直管外降液膜吸收器得到的结论吻合,也说明了本文模拟的正确可靠。
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