【摘 要】
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冰浆作为一种固-液两相流体,由于其具有较好的流动特性及较高的储能特性而被广泛应用于工业、医疗及食品等领域。冰浆固相为直径0.1～1.0mm且均匀分布于溶液中的冰晶颗粒,而冰浆固相颗粒直径的大小及分布对实际工况下冰浆流动及换热特性有较大的影响。目前,已有大量针对冰浆在各种工况条件下的实验及数值模拟计算,但有关冰浆固相颗粒直径影响流动与换热特性的研究较少。本文使用欧拉-欧拉模型与群体平衡模型耦合的CF
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2018YFA0702300）；
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冰浆作为一种固-液两相流体,由于其具有较好的流动特性及较高的储能特性而被广泛应用于工业、医疗及食品等领域。冰浆固相为直径0.1～1.0mm且均匀分布于溶液中的冰晶颗粒,而冰浆固相颗粒直径的大小及分布对实际工况下冰浆流动及换热特性有较大的影响。目前,已有大量针对冰浆在各种工况条件下的实验及数值模拟计算,但有关冰浆固相颗粒直径影响流动与换热特性的研究较少。本文使用欧拉-欧拉模型与群体平衡模型耦合的CFD-PBM模型,对非均质状态下的冰浆在水平圆管中的等温流动、管壁加热及管壁冷却三种工况下进行了数值模拟计算,并将该计算结果与不考虑直径变化的欧拉-欧拉两相流模型作对比。在本文的数值模拟计算中,冰浆固相颗粒直径之间的行为只考虑聚并、破碎、融化及生长现象。研究结果表明:在流动及加热工况下,CFD-PBM模型较欧拉-欧拉两相流模型对冰浆的模拟计算更符合实际物理过程。在CFD-PBM模型中,冰浆固相颗粒直径的大小与冰浆的固相体积分数呈正相关性,增大冰浆在管道入口的速度有利于冰浆固相颗粒直径的增长。颗粒直径的变化对冰浆在管道中的压降计算基本没有影响。在冰浆固相颗粒初始直径为0.125 mm,水平圆管长为1300mm,管径为23mm,冰浆固相体积分数为10%,入口速度为1.0m/s的流动工况下,CFD-PBM模型计算的结果为:在管道流动方向的轴线上,冰浆固相颗粒直径从初始状态的0.1250mm增长到0.1276mm;在管道出口的顶部,冰浆固相颗粒直径则为0.139mm。在冰浆固相颗粒初始直径为0.27mm,水平圆管长为2000mm,管径为16mm,冰浆固相体积分数为10%,入口速度为1.0m/s,管壁热流为50k W/m~2的加热工况下,CFD-PBM模型计算的结果为:冰浆固相颗粒直径从初始状态的0.270mm沿流动轴线方向上融化减小至0.255mm;冰浆固相体积分数从初始状态的10%下降至管道出口轴线处的1.21%。在与加热工况条件相同时,冰浆固相颗粒初始直径为0.1mm,管壁热流为-30k W/m~2的冷却工况下,CFD-PBM模型计算的结果为:冰浆固相体积分数从初始状态的10%增加至管道轴线处的28.43%;冰浆固相颗粒直径从初始状态的0.100mm沿流动轴线方向上最大生长至0.130mm。壁面热流密度的增大会加快颗粒直径的减小,而冷流的增加会加快颗粒直径的增大,固相颗粒直径的分布表现出与等温流动工况不同的特性。本文在冰浆冷却工下的数值模拟计算中,只考虑了传热传质的计算,而冰浆液相在实际冷却的过程中会存在过冷现象。过冷现象对冰浆基于CFD-PBM模型在冷却工况下数值模拟计算产生影响,固相体积分数的变化需考虑结晶成核所造成的固相转化率,在群体平衡模型中则需考虑由颗粒成核现象导致冰浆固相颗粒直径的变化。本文在具有156°±1.3°水接触角的铜超疏水表面上,进行过冷蒸馏水液滴的凝固实验。实验结果表明,蒸馏水液滴的直径越大,液滴延迟结晶和完全结晶所需的时间越长。
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