水平管降膜流动特性研究

曹慧青，吴 晓

(山东石油化工学院，山东 东营 257061)

随着水资源日益匮乏，海水淡化技术越来越重要。水平管降膜蒸发传热的高效性使其在海水淡化领域有广阔应用前景[1]。水平管管外液膜的分布、膜厚以及管间的流动形态均直接影响着传热和传质过程[2-5]。比如液膜的分布不均会导致管壁某些区域出现干涸现象[6]，从而影响传热。因此，水平管降膜流动特性研究为蒸发器、冷凝器、除湿器等热质交换设备的设计提供理论指导意义。本文通过模拟水平管降膜流动过程，分析不同因素对管间降膜流态的影响。

1 数值模拟

1.1 几何模型的建立

单根换热管三维模型计算区域为100 mm×36 mm×37 mm，管外径d=20 mm，分布器开孔孔径为2 mm，分布器开孔个数为9个，布液高度为7 mm，孔间距10 mm，如图1所示。

图1 几何模型Fig.1 Geometric model

1.2 非结构化网格的划分

非结构网格对比结构化网格来说其优势在于突破网格节点所带来的结构性限制，网格单元和网格节点是随意分布的，非结构化网格具有更大的灵活性，能更好的适应几何模型中的复杂结构，且对于物面边界的处理更加完美[7-8]。模型划分的非结构化网格如图2所示。

图2 非结构网格划分Fig.2 Unstructured mesh generation

1.3 数学方程

(1)质量守恒方程

(1)

(2)动量守恒方程

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中:p是流体微元体上的压强(Pa)；τxx、τyy、τzz是微元体表面上的黏性应力τ对应的分量(Pa)；fx、fy、fz是X方向、Y方向、Z方向上的三个方向的单位质量力(m/s2)。由于不可压缩性流体的黏性为常量，其动量守恒方程可以简化为：

(5)

2 模拟结果与讨论

水平管降膜流动特性从四个方面(入口流速、水平管径、分布器开孔孔径、分布器开孔个数)来进行分析研究，水平管液膜流态发展过程是一个瞬态过程，按照时间发展分为五个发展阶段，分别是自由下落区、冲击区、发展区、充分发展区和尾流区[9-10]。

2.1 不同流量对水平管降膜流动特性的影响

分布器内流体具有不同流量时，液膜在管壁的分布及流动形态如图3所示。

图3 不同流量下液膜流动形态Fig.3 Flow pattern of liquid film under different flow rates

由图3同一时刻不同流量下(10 kg/s，50 kg/s，90 kg/s)液膜流动形态横向对比可知：三个工况分别处于自由下落区的后期、冲击区后期、发展区前期；因此在分布器开孔流量不同其他参数不变的情况下，随着流量的增加，水平管降膜流动到达稳定状态的时间越短。

由图4可知水平管降膜流动在不同流量下(10 kg/s，50 kg/s，90 kg/s)达到稳定流后所呈现的流态分别为滴柱、柱状、帘柱。

图4 不同流量下达到稳定流后所呈现的流态Fig.4 Flow pattern after reaching stable flow under different flow rates

降膜流动过程为液体从分布器开孔流入，先通过自由下落后到达水平管壁的顶部的冲击区域，然后在冲击区沿着水平管外管壁流动，最后流经尾流区后从出口流出。根据图5中压力分布图可知由于液膜从分布器开孔进入后受到重力加速度的影响下以一定的速度冲击到水平管外管壁的上端及冲击区域，从而造成压力的最大值出现在此区域，同样可知随着分布器开孔进入的流量的不断增加，压力也会随着不断的增加；由于液体始终会受到竖直向下加速度分量的作用下沿着水平管外管壁进行降膜流动过程，从而导致在整个降膜流动的过程中速度持续的增加，最终速度的最大值出现在降膜流动过程中的充分发展区。

图5 压力与流度分布图(流量50 kg/s 管径d=20 mm)Fig.5 Pressure and mobility distribution diagram (flow 50 kg/s, pipe diameter d=20 mm)

2.2 分布器个数对水平管降膜流动特性的影响

分布器开孔为双口与单口时，液膜在管壁的分布及流动形态如图6所示。

图6 分布器不同个数下降膜流态模拟图Fig.6 Flow pattern simulation diagram of falling film with different number of distributors

双口的降膜流态图显示随着时间增加其液膜的包裹程度不同，在重力的作用下液膜在尾流区提前脱离无法对水平管进行包裹；单口的降膜流态图在t=0.11 s时是流动的充分发展区，可以看到出现部分的干涸现象，不能将管壁完全的润湿。通过对比可知不同个数的分布器会对影响液膜在管壁的包裹润湿程度。

2.3 分布器直径对水平管降膜流动特性的影响

分布器开孔不同直径(4 mm、6 mm、8 mm)时，液膜在管壁的分布及流动形态如图7所示。

图7 分布器不同直径下的降膜流态模拟图Fig.7 Falling film flow pattern simulation diagram under different diameters of distributor

图7可知在流量保持不变的情况下，分布器开孔直径不断增大导致开孔面积增大，因此降膜流态达到稳定流所需要的时间不断增加。压力、流速和体积分数分布图与图4基本一致，需要注意的是压力分布图发生了变化。由于分布器孔径增大，使平均分布在孔径面上的流量发生变化，进而导致压力在水平管上端(冲击区)的大小发生变化。

2.4 水平管管径对水平管降膜流动特性的影响

分布器不同管径(10 mm、15 mm、20 mm)时，液膜在管壁的分布及流动形态。

图8可知随着管径的增加液膜厚度在减小，液膜分布达到稳定的时间随管径的增加而增加。

图8 水平管不同管径下的降膜流态模拟图Fig.8 Falling film flow pattern simulation diagram of horizontal pipe under different pipe diameters

压力、流速分布图与图4基本一致，需要注意压力与时间的关系。由于管径的增大，水平管上端(冲击区)与分布器开孔的相对位置不断缩小，液膜在重力加速度的作用下经过自由下落区的距离缩小，液膜抵达冲击区的速度发生变化，进而导致压力发生变化。

3 结 论

(1)通过数值模拟了液膜瞬时流态的五个阶段，即自由下落区、冲击区、发展区、充分发展区和尾流区；随着不同流量的影响液膜管间流态形状可以大致分为分为滴柱、柱状、帘柱，分析了压力与速度的分布规律；由于重力加速度对液膜的影响，压力的最大值出现在水平管外管壁上部(冲击区)；由于受到竖直向下加速度的作用，液膜的流动速度在充分发展区达到最大值；

(2)随着分布器开孔个数的增加对于液膜在水平管上的包裹湿润程度有影响，而且会出现液膜干涸区域；压力和流速的最大值出现的位置不变。

(3)随着分布器开孔直径的增加，液膜流态达到稳定的时间增加；事分布器开孔面积增大，导致压力在水平管上端(冲击区)的大小发生变化。

(4)随着管径的增加液膜厚度在减小，液膜分布达到稳定的时间随管径的增加而增加；冲击区与分布器开孔的相对位置发生变化，导致压力发生变化。