螺旋管内沛腾两相流流型演变与传热特性研究

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作为绕管式换热器的重要元件,螺旋管的螺旋结构对管道内的传热和压降特性有较大影响。沸腾条件下,螺旋管内两相流流型演变机理复杂,不同流型的流动和传热特性存在较大差异。基于此,本文采用数值模拟和理论分析方法,对螺旋管内沸腾两相流流型演变及传热特性进行研究,主要内容及结论如下:(1)建立了螺旋管内沸腾两相流模型,采用Realizable k-ε湍流模型和VOF多相流模型对管内水沸腾过程进行数值模拟计算,分析了螺旋管内各流型的主要特征,结果表明:螺旋管内存在泡状流、塞状流、弹状流、波状流、环状流和雾状流六种常规流型及夹层流这一新流型。结合本章模拟数据与文献中相关研究,提出了沸腾过程中泡-塞状流、塞-弹状流、弹-波状流、环状流以及雾状流的划分依据。(2)比较分析了结构参数和边界条件对沸腾两相流流型转换边界的影响,结果表明:增大缠绕直径可以使得泡-塞状转换、塞-弹状流转换和弹-波状流转换边界后移;螺距主要影响气液相分布的均匀性,螺距增大会使得泡-塞状流转换边界提前,波-雾状流转换边界滞后;随着热流密度升高,截面含气率增大,各流型转换位置提前,同时剧烈的气液掺混使得气液分布均匀性提高;随着管径增大,螺旋管内发生各流型转换的位置后移;入口流速增大会导致螺旋管内各流型发生转换的位置后移,且入口流速改变会显著影响相界面在水平方向上的波动和气液相在竖直方向上的分布。(3)分别对泡-塞状流、塞-弹状流、弹-波状流转换机理和环状流形成机理进行了分析与讨论,结果表明:泡-塞状流流型转换和塞-弹状流流型转换过程主要受气泡聚合及破裂作用影响,离心力与浮升力具有促进气泡聚合的作用,而湍流扰动和沸腾扰动会加速气泡破裂,且在塞-弹状流转换过程中还需考虑气塞卷吸作用的影响;在弹-波状流转换过程中,主要受到离心力及浮升力的影响,二者均具有抑制波动的作用,影响程度取决于离心力与浮升力的相对大小。环状流液膜是管内二次流和液体表面张力共同作用的结果。(4)对比分析了不同流型对管内传热特性的影响,结果表明:不同流型条件下,截面的平均表面换热系数呈现泡状流>环状流>弹状流>雾状流>波状流的规律;泡状流流型下壁面与流体间具有最高的表面传热系数;环状流区域具有最小的周向壁面温差。
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