陳 于，馬 麟，白羽林

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強(qiáng)化換熱的基本途徑有三個(gè)：提高換熱系數(shù)、擴(kuò)展傳熱面積、加大傳熱溫差。由于擴(kuò)展換熱面積和加大換熱溫差常常受到一定條件的限制，因此提高換熱系數(shù)成為強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究的焦點(diǎn)[1-4]。

目前，水平管內(nèi)凝結(jié)換熱強(qiáng)化主要借助于內(nèi)翅表面、內(nèi)槽表面、粗糙表面以及機(jī)械插入物來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)翅管或者內(nèi)槽管一方面能夠較好的及時(shí)排泄凝結(jié)液，同時(shí)管內(nèi)底部的凝結(jié)液膜容易受到上部的翅片或槽道的擾動(dòng)作用，使氣液界面產(chǎn)生波紋，這對(duì)凝結(jié)換熱的強(qiáng)化是有利的。圖1是幾種強(qiáng)化換熱管的結(jié)構(gòu)。

以上介紹的強(qiáng)化換熱的方法都有共同的技術(shù)瓶頸，那就是在強(qiáng)化換熱的同時(shí)，流體的流動(dòng)阻力也大大增加。因此，如何在增強(qiáng)換熱的同時(shí)，又保證流動(dòng)阻力的穩(wěn)定，一直是研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)空冷式氣液相變換熱器多采用蛇形管流程，依靠空氣在管外對(duì)流換熱，工質(zhì)流體在管內(nèi)冷凝或蒸發(fā)。管內(nèi)凝結(jié)換熱中，隨著冷凝的進(jìn)行，壁面凝結(jié)液逐步增加，隨后成膜阻礙蒸汽與壁面的接觸，是凝結(jié)換熱的主要熱阻所在[5]?？梢娎淠旱脑黾訉?duì)冷凝相變換熱有削弱作用，是導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱能力減弱的因素之一。因此，如何有效地分離凝結(jié)液是提高換熱器換熱能力的有效措施之一。

基于此，通過采用全新的強(qiáng)化技術(shù)思路和設(shè)計(jì)理念，提出分段冷凝、中間排液的技術(shù)原理，清華大學(xué)彭曉峰[6-8]提出，采用氣液分離器巧妙地將冷凝過程產(chǎn)生的冷凝液排出管內(nèi)流程，減少液膜熱阻，使氣相工質(zhì)能充分與換熱管接觸換熱，換熱過程如圖2所示。

圖1 凝結(jié)強(qiáng)化管Fig.1 Condensate strengthen tube

圖2 分液冷凝換熱過程Fig.2 A scheme of liquid separation condensation heat transfer

這樣管內(nèi)將會(huì)一直保持很高的凝結(jié)換熱系數(shù)，流體也會(huì)保持比較小的流阻。分液冷凝機(jī)理就是根據(jù)這一理論，通過排氣阻液技術(shù)使流體在換熱器內(nèi)流動(dòng)換熱時(shí)不斷地將冷凝液排走，一直保持管內(nèi)高效換熱的。

綜上所述，分液冷凝技術(shù)與傳統(tǒng)的強(qiáng)化換熱方式有明顯的優(yōu)勢(shì)，整體改善了冷凝器性能。分液冷凝器中氣液分離和流量分配對(duì)換熱器的性能有著重要影響，因此針對(duì)分液冷凝器中氣液分離過程和流量分配特性的研究意義是不言而喻的。

目前工程上主要運(yùn)用的分離方法包括重力分離、慣性分離、離心分離、過濾式分離、膜分離和毛細(xì)分離等，大量學(xué)者對(duì)氣液分離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面的研究[9-14]。

重力分離：重力沉降是應(yīng)用最為普通的分離機(jī)理，主要用來分離較大的液滴，依靠其自身重力作用達(dá)到分離的目的。

慣性分離：任何運(yùn)動(dòng)的物體都具有保持其運(yùn)動(dòng)方向的特性。當(dāng)流體流向發(fā)生改變時(shí)，質(zhì)量密度大的液滴具有比較大的慣性，就會(huì)保持原來的運(yùn)動(dòng)方向，與器壁碰撞，使液滴從氣流中分離出來，如曲擇葉片式分離器。但是，要除去更小的液滴，需要更多次改變流向，且效果不是很明顯。

離心分離：離心分離是利用兩相密度的不同，使高速旋轉(zhuǎn)的非均相體系產(chǎn)生不同的離心力，從而實(shí)現(xiàn)分離的一種方法。由于離心設(shè)備可以達(dá)到非常高的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生高達(dá)幾百倍重力的離心力，因此離心設(shè)備可以較為徹底地實(shí)現(xiàn)氣液分離。

過濾式分離：利用液體碰撞、粘附、凝聚的原理，在分離器壁面上形成水膜流下進(jìn)行氣液分離。其中，分離機(jī)理復(fù)雜，主要有攔截和擴(kuò)散作用。攔截分離：一定直徑的液滴隨氣流運(yùn)動(dòng)到攔截物表面或側(cè)面附近，與攔截物相碰撞而被捕集；擴(kuò)散分離：這種分離方法是用于分離特別小的液滴，一般液滴直徑小于1毫米，此類顆粒主要受布朗運(yùn)動(dòng)的影響，如纖維絲。

膜分離：是利用一張?zhí)厥庵圃斓?、具有選擇透過性能的薄膜，在外力推動(dòng)下對(duì)液相或氣相混合物內(nèi)的不同成分進(jìn)行分離、提純、濃縮的先進(jìn)加工技術(shù)。

毛細(xì)分離：液體水會(huì)在親水材料表面鋪展，用親水材料做成多孔結(jié)構(gòu)，此多孔結(jié)構(gòu)就像由很多毛細(xì)管組成一樣，將成為氣體的專用通道。這樣利用材料的親水/憎水特性實(shí)現(xiàn)氣液分離。

1 重力氣液分離研究進(jìn)展

重力場(chǎng)流分離技術(shù)是20世紀(jì)60年代由J.C.Giddings博士提出的。這種分離技術(shù)具有低成本、高效率、應(yīng)用廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛關(guān)注[15]。目前重力場(chǎng)分離技術(shù)在很多領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展：在物理化學(xué)領(lǐng)域，在生命科學(xué)領(lǐng)域，在流體力學(xué)理論研究方面，在物質(zhì)元素的生成領(lǐng)域，在加工制造中，在分析化學(xué)領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域幾乎都運(yùn)用到重力場(chǎng)分離技術(shù)。

Lambros Farmakis[16]應(yīng)用重力場(chǎng)分離技術(shù)中的空間洗提模式研究了酵母菌在小麥淀粉作為媒介情況下的生長(zhǎng)率。D.Melucci和M.Guardigli[17]利用重力場(chǎng)分離技術(shù)對(duì)PS顆粒和HRP(Horseradish perxidase)模型進(jìn)行了模擬免疫測(cè)定，并指出利用重力分離技術(shù)能夠快速、低價(jià)地測(cè)出混合樣本中自由和被束縛酶的質(zhì)量比，這說明重力場(chǎng)分離技術(shù)在生物免疫測(cè)定領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。Hyonsoo Ahn等[18]對(duì)在微重力情況下離心力對(duì)氣液分離現(xiàn)象的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)入口管越小，入口液相速度越大，氣泡越大的情況下氣液分離效果越好。在高的液相速度下入口管徑和氣泡大小對(duì)分離影響不大。R.Chantiwas[19]對(duì)礦物混合物在重力場(chǎng)分離特點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)直徑為5微米和10微米的SiO2顆粒能較容易的從混合物分離出來。實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)用紫外探測(cè)器檢測(cè)了SiO2顆粒的分離時(shí)間。

液滴在重力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性是重力分離機(jī)理研究的重要方面，揭示了液滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就可以從原理上分析重力場(chǎng)分離的特點(diǎn)。吳晅，蔡杰，李鐵[20]等對(duì)洗滌冷卻室氣液分離空間內(nèi)液滴重力分離過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在Euler-Lagrange三維坐標(biāo)系下，建立了液滴重力分離模型。考察了氣液分離空間高度、氣流速度以及液滴初始速度對(duì)液滴分離效率的影響。發(fā)現(xiàn)液滴在飛濺進(jìn)入氣液分離空間后由于重力、拽力減速運(yùn)動(dòng)，越小尺寸液滴的減速越明顯；在相同液滴初速度以及相同氣液分離空間高度下，氣相流速對(duì)分離效率影響較大，隨著氣流速度的降低，液滴的分離效率增大；當(dāng)氣液分離空間高度達(dá)到0.45m時(shí)，液滴的分離效率趨于穩(wěn)定；隨著液滴的初始速度的提高，獲得最大液滴分離效率所需的氣液分離空間高度增加。王亦飛等[21]對(duì)洗滌冷卻室內(nèi)的帶液?jiǎn)栴}進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)定了洗滌冷卻室內(nèi)不同操作條件下氣體的帶液量。

Xie Haiyan，Yuan Zhulin[22]采用三維數(shù)值模擬方法討論了德士古氣化爐激冷室內(nèi)合成氣穿越液池過程中帶水問題的內(nèi)在機(jī)理，利用VOF模型模擬了合成氣穿越液池過程并分析其流動(dòng)特性，對(duì)上氣流速度，上升管和下降管之間的間隙以及液膜流速對(duì)帶液量的影響進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)在液膜流速為15m/s時(shí)，氣流的帶液量隨著兩管間隙的增加而減??；在間隙為0.12m，液膜流速為15m/s時(shí)，帶液量隨著氣流速度的增大而增大；在兩管間隙為0.12m和氣流速度為3m/s時(shí)，隨著液膜流速的增大液相分離量先減小后增大。

把液滴從氣相空間中分離出來是利用重力場(chǎng)分離的重要應(yīng)用方面，Dongbei Yue et al.[23]運(yùn)用重力分離模型對(duì)浸沒燃燒蒸發(fā)器內(nèi)液滴在氣相空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性及分離特性進(jìn)行了研究，詳細(xì)討論了重力分離空間高度，氣相流速對(duì)分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)所有的液滴進(jìn)入氣流后流動(dòng)速度都減小了，在得到最大分離效率之后增大分離空間的高度對(duì)分離效率的影響不大，在相同分離高度的情況下分離效率隨著氣相流速的增大而減小，不同氣流速度下的最大分離效率是一樣的。

重力分離在石油勘探領(lǐng)域應(yīng)用也很廣泛。楊勒等[24]運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法，采用多相流模型中歐拉-歐拉的partical模型對(duì)重力式氣液分離器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)所采用多相流歐拉-歐拉模型和邊界條件得出的模擬結(jié)果能比較好的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。模擬結(jié)果顯示流量為1.5L/s時(shí)，除氣效率是最高的。液相粘度較大時(shí)，除氣效率相對(duì)較低。隨著氣泡直徑的增大除氣效率明顯提高?；旌衔锩芏葘?duì)除氣效率影響不是很大。

劉孝光，徐建，馮進(jìn)[25]從多相流最一般的描述方法出發(fā)，對(duì)鉆井液重力式氣液分離器內(nèi)的氣侵鉆井液進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，從微觀角度對(duì)重力分離器內(nèi)部混合液的氣泡運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了探討。發(fā)現(xiàn)影響氣液分離性能的結(jié)構(gòu)因素主要為斜板安裝角度，混合液因素主要為氣泡直徑及鉆井液的粘度，處理量及氣液兩相的密度差對(duì)分離器性能影響較小。

2 毛細(xì)作用氣液分離研究進(jìn)展

毛細(xì)作用源于微觀分子間力的作用，而又表現(xiàn)為宏觀肉眼可見的現(xiàn)象，因此它跨越的尺度很大。傳統(tǒng)的毛細(xì)理論多是基于宏觀唯象學(xué)的研究。如熱力學(xué)理論，能量理論，流體力學(xué)理論。由于毛細(xì)作用本身涉及氣，液，固三種相，同時(shí)又以表面，界面作用為主。因此對(duì)界面分子間作用力原理，表面張力的了解對(duì)表面流動(dòng)機(jī)理的探究顯得尤為重要。毛細(xì)的概念源于毛細(xì)血管。阿拉伯科學(xué)家、生理學(xué)家Ibnal-Nafis(1213～1288年)于13世紀(jì)首次提出靜脈通過毛細(xì)循環(huán)來獲得動(dòng)脈中的養(yǎng)分。盡管毛細(xì)的概念在13世紀(jì)初就已提出，但直到18世紀(jì)人們才開始理論地研究毛細(xì)作用。在眾多學(xué)者對(duì)毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)行了理論研究過程中，其中影響最大的莫過于Thomas Young，他的一系列研究成果，對(duì)表面科學(xué)，毛細(xì)運(yùn)動(dòng)都有著深遠(yuǎn)的影響。

現(xiàn)在很多學(xué)者的研究都還是基于Young的研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[26-33]。Markus Hilpert[34-35]從Hagen-Poiseuille和Young-Laplace方程出發(fā)，研究了水平毛細(xì)管中液體滲進(jìn)和滲出的流動(dòng)情形，推導(dǎo)出氣液界面流動(dòng)速度方程，重點(diǎn)考察了毛細(xì)流動(dòng)過程中接觸角的變化。在對(duì)毛細(xì)流動(dòng)的研究中大部分是關(guān)注于接觸角的變化對(duì)流動(dòng)的影響。而很少有文獻(xiàn)把這種流動(dòng)與氣液分離聯(lián)系起來。為了達(dá)到利用毛細(xì)作用來實(shí)現(xiàn)阻汽漏液，那么在液體流出細(xì)小通道時(shí)將會(huì)在出口處會(huì)形成液橋。通過液橋的傳輸功能使液滴不斷長(zhǎng)大，最后當(dāng)液橋斷裂時(shí)，液滴滴下形成漏液。

Zongfu Dai.et[36]對(duì)液橋的形成和斷裂過程做了理論的研究，重點(diǎn)考察了液橋斷裂的標(biāo)準(zhǔn)，但是Chenv et al[37]得出的結(jié)論與Zongfu Dai.et.的有差別。對(duì)于液橋的斷裂標(biāo)準(zhǔn)不同的學(xué)者有不同的結(jié)論。Xavier Pepin et[38-41]對(duì)液橋的發(fā)展和斷裂建立了理論模型并且對(duì)液滴的形成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，他們從熱力學(xué)，表面能的角度出發(fā)對(duì)環(huán)形和拋物線形液橋的發(fā)展和斷裂過程進(jìn)行了分析。在對(duì)液橋的研究中由于主要考察兩個(gè)固體表面之間的液橋，因此比較多研究液橋的斷裂規(guī)律，很少有研究液橋的傳輸特性。在這種新穎的汽液分離方式中要形成漏液主要是通過液橋的傳輸特性。目前對(duì)這方面的研究還比較少。

Thomas Glatzel.et al[42]對(duì)于數(shù)值模擬軟件在微流動(dòng)中的運(yùn)用進(jìn)行了研究，分別采用了CFD-ACE，CFX，F(xiàn)low-3D，F(xiàn)luent等國際主流的CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)各種微流動(dòng)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析比較不同軟件之間運(yùn)算速度、計(jì)算結(jié)果的精確度、計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)所有的計(jì)算工具在運(yùn)用二階算法可以得到比較理想的結(jié)果，數(shù)值發(fā)散比較小。說明數(shù)值模擬軟件用于微細(xì)尺度毛細(xì)流動(dòng)是合適的，同時(shí)也說明本文運(yùn)用fluent模擬是合理的。毛細(xì)作用分離主要運(yùn)用在航天領(lǐng)域，出于空間環(huán)境最大的特點(diǎn)之一就是重力場(chǎng)很弱，在這種情況下利用毛細(xì)作用來實(shí)現(xiàn)氣液的分離是比較好的選擇。由于氣體、液體與親水材料的作用不同，氣體中的水遇到親水材料，將在親水材料上浸潤鋪展，沿管的長(zhǎng)度方向，由于毛細(xì)作用以及在操作過程中始終有輕微的壓差水慢慢透過，從而沿流動(dòng)方向，氣相中的含水量越來越少，路徑足夠長(zhǎng)時(shí)，氣體中的水將完全分離。

周抗寒等[43]利用毛細(xì)作用原理設(shè)計(jì)了適用于航天領(lǐng)域的氣/水分離器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該分離器在氣體流量不超過10.0L/min，水流量不超過10.0 ml/min的范圍內(nèi)工作時(shí)，分離效果很好，當(dāng)超過這個(gè)范圍時(shí)，液相將會(huì)被氣相拖拽作用影響，在多孔表面的液膜將會(huì)被氣相破壞使氣液分離惡化。

3 平行流流量分配的研究進(jìn)展

平行流換熱器被廣泛的應(yīng)用于汽車空調(diào)行業(yè)中，在平行流換熱器中流量的分配一直是研究的熱點(diǎn)[44]。平行流換熱器通道內(nèi)的流量分配嚴(yán)重的影響著換熱器的換熱效果，以往的分析中，為了簡(jiǎn)便一般認(rèn)為制冷劑在通道中的相互擾動(dòng)、拖拽作用影響使得各個(gè)通道中制冷劑的分配相差十分懸殊，以至于一部分通道中只有氣體，而另外一部分通道中則只有液體，同時(shí)換熱器傳熱是制冷劑和空氣的相互耦合，任何一相分配不均都會(huì)嚴(yán)重削弱了平行流換熱器的換熱和流動(dòng)性能，因此很多學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了研究[45-46]。

流量分配均勻性主要受工況、結(jié)構(gòu)和物性影響。不同工況對(duì)流量分配影響的研究中，A.Marchitto[47]等在水平集管中以空氣和水為工質(zhì)考察了氣相流速(1.5～16.5m/s)與液相流速(0.45～1.2m/s)對(duì)兩相流量分布的影響，發(fā)現(xiàn)在液相流速較小時(shí)，隨著氣相流速的增加，氣相流量的分配越來越均勻，但是對(duì)應(yīng)的水的分配越來越不均勻。液相流速較大時(shí)也有類似的規(guī)律。另外在每個(gè)支管還設(shè)置了多孔板(孔徑為2nm，3nm，4nm，6nm)考察其對(duì)流量分布的影響，與沒加多孔板相比發(fā)現(xiàn)氣相的不均勻性明顯減小了，但是液相的不均勻程度卻有增加。但是隨著孔徑的增大液相均勻程度逐漸變好，氣相的不均勻程度逐漸變差。M.Ahmad[48]以HFE7100為工質(zhì)，在溫度為330K，壓力為100kPa下，對(duì)集管的尺寸為D50mm、30 mm和17.3mm的三種緊湊式平行流換熱器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著集管管徑的增大流量分配越均勻。在不同干度下發(fā)現(xiàn)干度越大，氣相和液相的均勻性越好，但是在不同流量下，卻有著相反的規(guī)律。

對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)流量分配影響的研究中，H.W.Byun[49]等針對(duì)不同入口形式的以R410A為工質(zhì)的平行流換熱器在入口干度為0.3，質(zhì)量流速在50～70kg/m2s工況下的流量分配特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)側(cè)面入口位置高的氣相和液相的均勻性和壓降比位置在中間的要好。出口位置在頂部和底部的比在中間位置的效果要好。在支管數(shù)比較少時(shí)液相主要流向底部支管，在支管數(shù)比較多時(shí)隨著流量的增大，流向頂部支管液相流量增多。

Yunho Hwang[50]對(duì)支管間距分別為8mm、10mm、12mm和數(shù)目分別為18、24、30的換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在以R410A為工質(zhì)，入口溫度為7.2℃、干度為0.3、流量分別為30/45/60 g/s，換熱量分別為5/10kW的工況下的平行流換熱器中支管間距對(duì)氣液相在通道中的分配影響不大，支管數(shù)目、聯(lián)箱入口位置和入口流量對(duì)液相分配比氣相影響大。在不同支管數(shù)目情況下表征分配均勻程度的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)差NSTD的變化為0.037～0.087，不同支管間距情況下變化為0.027～0.055。聯(lián)箱入口位置不同情況下變化為0.088～0.263，入口流量不同情況下的變化為0.034～0.141。

這些研究主要集中通過改變聯(lián)箱(集管)的幾何結(jié)構(gòu)和工況條件(壓力，流量)來提高兩相混合液的流量分配均勻性。Hrnjak[51]討論了換熱器中單相、兩相條件下分流管到多個(gè)微通道的分配情況，認(rèn)為現(xiàn)有兩相分配器的原理可以歸結(jié)為兩種：一種是混合兩相使之在空間上分布均勻，另一種是先分離各相然后分別分配入換熱器的通道中，但對(duì)后者的研究尚未報(bào)道。

對(duì)于兩相流量分配理論模擬方面的研究，N.Ablanque et.al[52]建立了多支管內(nèi)兩相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。支管內(nèi)流動(dòng)采用一維兩相流動(dòng)模型，在結(jié)合處采用其他文獻(xiàn)中的模型來預(yù)測(cè)流動(dòng)特性。整個(gè)流場(chǎng)采用求解壓力耦合方程的半隱式方法來求解。連續(xù)方程和動(dòng)量方程利用一維兩相流動(dòng)模型和結(jié)合處模型來聯(lián)系。所建立的模型與公開文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

Gang Li和Steven Franke[53]用三種多相流模型對(duì)制冷劑分配進(jìn)行了模擬，通過模擬改進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先，他們用三種不同兩相流模型進(jìn)行計(jì)算與文獻(xiàn)中用空氣和水做工質(zhì)的兩相流分配的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較，發(fā)現(xiàn)VOF和ASM計(jì)算的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有很大差別，而IPSA計(jì)算的結(jié)果與測(cè)量值吻合很好，說明VOF和ASM模型不適合計(jì)算空氣和水工質(zhì)。然而，對(duì)典型制冷劑分配器幾何和運(yùn)行工況的計(jì)算，三種模型方法對(duì)兩相分配和分離的預(yù)測(cè)結(jié)果十分相似。由于ASM模型比較簡(jiǎn)化，對(duì)計(jì)算機(jī)要求不是很高，因此，選用ASM研究制冷劑分配器設(shè)計(jì)和改進(jìn)。研究中對(duì)5種不同結(jié)構(gòu)的分配器進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)第五種結(jié)構(gòu)有比較均勻的流量分布；平底結(jié)構(gòu)的流量分布最不均勻。

中國石油大學(xué)的趙鐸[54]用實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬的方法研究水平管內(nèi)氣液兩相流流型。選用模擬氣液兩相在管道中流動(dòng)的模型—VOF模型，采用非穩(wěn)態(tài)、隱式分離求解算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)管道內(nèi)流型進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)VOF模型可以很好的描述兩相流流型中的氣泡流、分層流以及波浪流；液相流量不變、氣相流量增加條件下以及氣相流量不變、液相流量減少情況下流型的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同。

華北電力大學(xué)的李亞潔[55]采用ANSYS CFX商用軟件，選擇非均相自由表面模型，研究了對(duì)分配聯(lián)箱氣液兩相流量分配做了研究?？疾炝巳肟诘臍庀嗪鸵合嗔髁繉?duì)流量分配特性的影響，發(fā)現(xiàn)在所模擬的氣相流量范圍內(nèi)(2.778e-02～7.5e-02kg/s)，氣相流量的變化對(duì)液相的分配特性影響不大，但是氣相的分配均勻性隨著流量的增大而增大。液相流量的變化(1.33e-03～8.31e-03kg/s)對(duì)分配特性的影響跟氣相的流量有很大關(guān)系。在對(duì)入口干度的影響考察中發(fā)現(xiàn)隨著入口干度的增加，氣體在出口分支管的分配均勻性增加，而液相的分配均勻性減小。且隨著入口干度的繼續(xù)增加，氣相和液相的分配特性接近于一個(gè)極限。

吳曉敏[56]等采用fluent商業(yè)軟件，選擇Eulerian模型和k-e湍流模型?？疾炝穗x散相直徑、壁面粗糙度、進(jìn)口段長(zhǎng)度、兩相進(jìn)口條件對(duì)兩相流量分配的影響。發(fā)現(xiàn)選取不同的離散相對(duì)模擬結(jié)果影響不大，但是隨著離散相粒徑的增大，液相流量在底部支管的流量增大，同時(shí)壁面粗糙度和進(jìn)口段長(zhǎng)度對(duì)流量分配的影響不大。影響最大的是兩相流進(jìn)口條件。

M.Heggemann et al[57]分析了液面高度和小孔面積對(duì)流量分配器的流量影響，運(yùn)用流體體積比(VOF)模型進(jìn)行模擬，分別模擬了一個(gè)孔和多個(gè)孔的情形，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互吻合。

4 總結(jié)

本文針對(duì)目前工程上主要運(yùn)用的氣液分離方法，尤其是應(yīng)用較多的重力分離、毛細(xì)作用分離、平行流流量分配，對(duì)國內(nèi)外相關(guān)的研究情況進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和詳細(xì)介紹。其中，對(duì)重力分離作用的研究包括生物生長(zhǎng)、免疫測(cè)定，PS顆粒和HRP模擬，石油勘探以及液滴在重力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性等領(lǐng)域；基于Young的研究基礎(chǔ)，毛細(xì)作用的研究涉及到液體在水平毛細(xì)管內(nèi)滲進(jìn)滲出的情形、液橋的形成和斷裂理論和數(shù)值研究等諸多課題；而平行流流量分配，則主要從工況、結(jié)構(gòu)形式以及物性參數(shù)三個(gè)方面開展。

綜上所述，氣液分離廣泛存在于工業(yè)和科研領(lǐng)域的方方面面，諸多研究者從應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，而關(guān)于氣液分離作用的機(jī)理、以及分離的演變過程等理論方面的研究相對(duì)較少，可作為下一步的研究方向。

[1] Sgar，S.Gulawani，Jyeshtharaj，B.Joshi，Manish et.CFD analysis of flow pattern and heat transfer in direct contact steam condensation[J].Chemical Engineering Science，2006(61):5204-5220

[2] Bilal A.Qureshi，Syed M.Zubair.A comprehensive design and rating study of evaporative coolers and condensers.International Journal of Refrigeration，2006(29):659-668

[3] Sureshkumar，P.L.Dhar，S.R.Kale.Effects of spray modeling on heat and mass transfer in air-water spray systems in parallel flow[J].International Communication in Heat and Mass Transfer，2007(34):878-886

[4] 朱冬生等.水分布對(duì)蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)性能的研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28(1)：83-85

[5] Yang Y.，Peng X.F，Wang X.D，Wang B.X.

Condensation in entrance region of rectangular horizontal channel[J].Journal of Thermal Science and Technology，2005(2):130-135

[6] 彭曉峰，吳迪，王珍，等.一種分段式氣液相變換熱器的氣液分離方法及換熱器.中國，200810247378.6[P]，2009.7.15

[7] 彭曉峰，吳迪，陸規(guī)，等.分液式空氣冷凝器.中國，200610113304.4[P],2007.6.6

[8] 彭曉峰，吳迪，張揚(yáng).高性能冷凝器技術(shù)原理與實(shí)踐[J].化工進(jìn)展，2007，26(1)：97-104

[9] 劉樂柱，張?zhí)炱?空間氣液分離技術(shù)及其應(yīng)用[J].真空與低溫，2010，16(1)：6-11

[10] 任相軍，王振波，金有海.氣液分離技術(shù)設(shè)備進(jìn)展[J].過濾與分離，2008，18(3)：43-47

[11] F.F.Krull，C.Fritzmann，T.Melin.Liquid membranes for gas/vapor separations[J].Journal of Membrane Science，2008，325:509-519

[12] 熊偉.葉輪式除霧器氣液分離過程的數(shù)值模擬[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2007

[13] 王中海，羅小茍，劉亮，等.新型分離技術(shù)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀[J].礦業(yè)快報(bào)，2007(461)：27-30

[14] 余美瓊.液膜分離技術(shù)[J].化學(xué)工程與裝備，2007，(5)：57-62

[15] 邵麗穎，蔣東霖，呂英軍.重力場(chǎng)流分離技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(4)：258-262

[16] Lambros Farmakos，John Kapolos.Study of the growth rate of saccharomyces cerevisiae using wheat starch granules as support for yeast immobilization monitoring by stetic field-flow fractionation[J].Food Research International，2007,40:717-724

[17] Melucci D，Guardigli M.A new method for immunoassays using field-flow fraction with on-line continuous chemiluminescence detection[J].Talanta，2003，60:303-312

[18] Hyonsoo Ahn，Kosuke Tanaka et al.Centrifugal gas-liquid separation under low gravity conditions[J].Separation and purification technology，2000，19:121-129

[19] Chantiwas R，Beckett R.Gravitational Field-flow Fractionation in Combination with Flow Injection Analysis or Electrothermal AAS for Size Based Iron Speciation of Particles[J].Talanta，2002，58:175-1383

[20] 吳晅，蔡杰，李鐵，等.洗滌冷卻室氣液分離空間內(nèi)液滴重力分離數(shù)值研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38(6)：1017-1023

[21] 王亦飛，陳章心，劉霞，等.新型洗滌冷卻室內(nèi)氣體帶液?jiǎn)栴}[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2008，24(1)：24-28

[22] Xie Haiyan，Yuan Zhulin.Flowing characteristics and problem of entraining water about mixed gas crossing the cistern in quench chamber[J].Proceeding of the CSEE，2007，27(8):37-41

[23] Yue Dongbei，Xu Yudong.Analytical solution of gravity separation model: separation of water droplets from vapor in submerged combustion evaporator[J].Chemical Engineering Journal，2007，126(2):171-180

[24] 楊勤，馮進(jìn)，羅海兵，等.重力式氣液分離器的內(nèi)部流場(chǎng)CFD模擬[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20(2)：72-74

[25] 劉孝先，徐建，馮進(jìn).鉆井液重力式氣液分離器的分離機(jī)理[J].機(jī)械工程師，2006，(11)：67-68

[26] 高世橋等.毛細(xì)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010

[27] 趙文珍.材料表面工程導(dǎo)論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1998

[28] 蔡增基等.流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999

[29] 蔡炳新.基礎(chǔ)物理化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2002

[30] Gene Whyman.et al.The rigorous derivation of Young，Cassie-Baxter and Wenzel equation and the analysis of the contact angle hysteresis phenomenon[J].Chemical physics letters，2008，45:355-359

[31] Edward Bormashenko.Young，Boruvka-Neumann，Wenzel and Cassie-Baxter equations as the transversality conditions for the variational problem of wetting[J].Colloids and Surface A，2009，34:163-165

[32] Hao Wang，Suresh V.Garimella，Jayathi Y.Murthy. Characteristics of an evaporating thin film in a micro channel[J]Heat and Mass Transfer，2007，50:3933-3942

[33] Kyoungwoo Park，Kwan-Joong Noh，Kwan-soo Lee. Transport phenomena in the thin-film region of a micro-channel[J].Heat and Mass Transfer，2003，46:2381-2388

[34] J.A.Al-Jarrah.et.Film condensation on a vertical micro channel[J].International communication in heat and mass transfer，2008，35:1172-1176

[35] Markus Hilpert.Effects of dynamic contact angle on liquid withdrawal from capillary tubes[J].Colloid and Interface Science，2010，347:315-323

[36] Markus Hilpert.Effects of dynamic contact angle on liquid infiltration into horizontal capillary tubes[J].Colloid and Interface Science，2009，337:131-137

[37] Zongfu Dai,et.Liquid bridge rupture distance criterion between spheres[J].International Journal Miner Process，1998，53:171-181

[38] Chen et.Maxim stable length of non isothermal liquid bridges[J].Physics Fluids，1990，2:1118-1123

[39] Pirooz Darabi.et.Modeling the evolution and ruputure of stretching pendular liquid bridges[J].Chemical engineering science，2010，65:4472-4483

[40] xavier Pepin et.Modeling the evolution and ruputure of pendular liquid bridges in the presence of large wetting hysteresis[J].Colloid and Interface Science，2000，232:289-297

[41] A.Javadi et.Interface and bulk exchange: Single drops experiments and CFD simulation[J].Colloid and Interface Science A，2010，365:145-153

[42] Thomas Glatzel.et.CFD software tools for micro fluid applications-A gas study[J].Computer&Fluids，2008，37:218-235

[43] 周抗寒，艾尚坤，陸熙瑜，等.靜態(tài)水/氣分離器研制[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2000，13(5)：346-349

[44] 魯紅亮，陶紅歌等.平行流換熱器中熱流體分布均勻性的研究進(jìn)展[J].制冷學(xué)報(bào)，2010，31(6)：39-45

[45] Probhakara Rao，B.Sunden，B.Das.An experimental and theoretical investigation on the effect of flow mal-distribution on the thermal performance of plate heat exchanger[J].Heat Transfer，2005，25:827-840

[46] Beaver A，P.S.Hrniak，J.Yin，et al.Effects of distribution in headers of micro-channel evaporators on transcritical CO2heat pump performance[C].Proceeding of the ASME Advanced Energy System Division，Orlando，2000:55-64

[47] A.Marchitto，F(xiàn).Devia，M.Fossa，G.Guglielmini，C.Schemone.Experiment on two phase flow distribution inside parallel channels of compact heat exchangers[J].International of multiphase flow，2008，34:128-144

[48] M.Ahmad.General characteristics of two-phase flow distributin in a compact heat exchanger[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52:442-450

[49] H.W.Byun，N.H.Kim.Refrigerant distribution in a parallel flow heat exchanger having vertical headers and heated horizontal tubes[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2011，35(6):920-932

[50] Yuno Hwang，Dae-Hyun Jin，Reinnhard Radermacher.Refrigerant distribution in mini-channel evaporator manifolds[J].HVAC&R Research，2007，13(4):543-555

[51] Hrnjak P.S.Flow distribution issues in parallel flow heat exchanger[C].ASHRAE Annual Meeting，Atlanta,2004

[52] N.Ablanque，C.Oliet，J.Rjgola et al.Two phase flow distribution in multiple parallel tubes[J].International Journal of Thermal Science，2010:909-921

[53] Gang Li，Steven Frankel.Application of CFD models to two phase flow in refrigerant distribution.HVAC&R Research，2005，11(1):45-62

[54] 趙鐸.水平管內(nèi)氣液兩相流流型數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].山東：中國石油大學(xué)，2007

[55] 李亞潔.分配聯(lián)箱氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2010

[56] 吳曉敏，熊永，王維城，等.扁平多分支管內(nèi)兩相流流量分配的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29(5)：837-839

[57] M.Heggemann，S.Hirschberg，L.Spiegel，C.Bachmann et al.CFD simlaiton and experimental validation of fluid flow in liquid distributors[J].Chemical Engineering Research and Design，2007，85: 59-64