朱進林 謝 晶 王金鋒 杜子崢 周洪劍

（1.上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；3.上海寶豐機械制造有限公司，上海 200444）

蒸發(fā)式冷凝器是一種集冷卻塔與冷凝器，傳熱和傳質(zhì)過程為一體的高效節(jié)能設(shè)備。蒸發(fā)式冷凝器工作時，冷卻水經(jīng)過頂部的噴嘴均勻地噴淋在冷凝盤管表面，形成一層水膜，溫度較低的水膜通過潛熱和顯熱方式帶走冷凝盤管內(nèi)高溫制冷劑大部分的熱量，從而達到冷凝流體的目的。相比其他冷凝器而言，蒸發(fā)式冷凝器具有節(jié)能節(jié)水、占地面積小、安裝維修方便等優(yōu)點［1］，被廣泛用于制冷空調(diào)、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域［2］。蒸發(fā)式冷凝器氣流的優(yōu)化對提高冷凝效率有著重要的現(xiàn)實意義。

計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）基于離散化的數(shù)值計算方法，可用來分析流體流動、熱交換、分子運輸以及熱傳導(dǎo)等一些復(fù)雜物理現(xiàn)象。與實際試驗相比，CFD模擬具有成本低、不受物理和試驗?zāi)Ｐ拖拗?、靈活性強等優(yōu)點，能給出完整和詳細的數(shù)值計算過程［3］。目前CFD計算模擬技術(shù)已趨向成熟，廣泛應(yīng)用于各式冷凝器各種場的研究［4－8］。郭常青等［9］利用汽液二維降膜模型，探討了壁面熱流密度、液相進口溫度，以及空氣流速對板式蒸發(fā)冷凝器板面溫度的影響。梁治會等［10］對空調(diào)用蒸發(fā)式冷凝器進行了數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要研究了噴嘴噴淋速度與安裝位置對蒸發(fā)式冷凝器換熱效果的影響，得出不同設(shè)計條件下內(nèi)部的溫度場和速度場分布狀況，并提出了優(yōu)化方案。為了進一步掌握進風(fēng)因素對換熱器流場的影響，劉清明等［11］建立腔內(nèi)氣流流場的數(shù)值模型，分析得出雙面進風(fēng)比單面進風(fēng)更能實現(xiàn)壓力場、速度場分布的均勻性。

目前針對蒸發(fā)式冷凝器配風(fēng)量的研究較多，但這些研究［12，13］大多未能深入揭示傳熱與傳質(zhì)過程機理。本研究擬利用CFD計算軟件對蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)腔流場開展非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，以預(yù)測蒸發(fā)式冷凝器在不同進風(fēng)風(fēng)向作用下5s內(nèi)溫度場和氣流場的變化情況，從而為以后在蒸發(fā)式冷凝器進風(fēng)風(fēng)向設(shè)計方面提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

本試驗研究對象為上海某機械有限公司生產(chǎn)的一款尺寸為1.4m×1.1m×2.5m蒸發(fā)式冷凝器。在合理簡化冷凝器實物的基礎(chǔ)上，建立了蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)腔的三維物理模型。

在物理模型中，該模型尺寸為0.250m×0.250m×0.435m，模型底部為集水槽，高度為0.05m，空氣進風(fēng)口設(shè)置在模型壁面兩側(cè)以及頂部，兩側(cè)進風(fēng)口高度為0.1m，寬度為0.25m，頂部進風(fēng)口長度為0.125m，寬度為0.25m，盤管部分高度為0.285m，按三角叉排方式排列，共5（排）×5（列）。單根盤管長度為0.25m，外徑0.025m，盤管之間橫向間距為0.05m，豎向間距為0.05m?？諝獯怪蓖L(fēng)口吹入，與盤管進行換熱后從頂部出風(fēng)口排出。圖1為冷凝器單向進風(fēng)的物理模型。

圖1 冷凝器單向進風(fēng)的物理模型Figure 1 Physical model of condenser with single inlet

1.2 CFD模型

運用Fluent自帶的Gambit軟件對物理模型區(qū)域進行網(wǎng)格劃分?？紤]到冷凝盤管排列方式較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不能滿足劃分需求［14］，本試驗采用較為復(fù)雜的TGrid方法劃分，在近壁面處進行局部網(wǎng)格加密。在本計算域中設(shè)定網(wǎng)格尺寸為5mm，共生成1 277 683個網(wǎng)格，經(jīng)檢驗完全滿足計算精度需求，對于冷凝盤管部分，網(wǎng)格尺寸同樣設(shè)為5mm，每個盤管生成7 623個網(wǎng)格。

在計算之前，對上述模型進行進一步簡化和假設(shè)，認定氣流為常溫常壓下的空氣，冷凝盤管壁面溫度設(shè)為恒定。CFD運算的基本思想是通過求解一系列流動控制方程組來獲得流場變量的近似值，具體表現(xiàn)可以體現(xiàn)為連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程［15］，常用流動與傳熱問題控制方程［16］：

連續(xù)性方程：

X方向動量方程：

Y方向動量方程：

Z方向動量方程：

能量方程：

式中：

ρ——密度，kg/m3；

μ——動力黏度，N·s/m2；

t——時間，s；

T——溫度，K；

p——壓力，Pa；

k——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

cp——比熱容，J/（kg·K）；

u、v、w——速度矢量的ν→的3個分量，m/s；

Sμ、Sν、Sω——廣義源項；

ST——粘性耗散項。

在本試驗中，進風(fēng)空氣在風(fēng)機的強制對流作用下，空氣流態(tài)從過渡狀態(tài)充分發(fā)展為湍流，雷諾數(shù)較大，根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)［17］采用k－ε模型。對于近壁面處需要使用壁面函數(shù)處理，在本模擬中選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。湍流能量輸運方程和能量耗散輸運方程以及粘性系數(shù)［16］：

式中：

ρ——密度，kg/m3；

ε——耗散率，m2/s3；

k——湍動能，m2/s2；

μ——粘性系數(shù)，N·s/m2；

σk、σε——湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數(shù)；

τtij、Sij——粘性模型和平均速度應(yīng)變率張量；

fμ——近壁衰減函數(shù)；

Φk、Φε——壁面項；cμ——默認常數(shù)。

［18］，式（6）～（8）中各常數(shù)定義為：Cμ＝0.09，Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3，Prt＝0.9。

1.3 邊界條件

在本試驗中需要對建立的物理模型冷凝器的壁面、氣流入口、冷凝盤管以及氣流出口進行邊界設(shè)置。冷凝器的壁面按照第二類定熱流密度條件設(shè)定，冷凝盤管壁面溫度設(shè)為恒定，溫度大小設(shè)為313K；冷凝器進風(fēng)入口按照速度入口設(shè)定，速度為0.2m/s，溫度為298K，方向垂直進風(fēng)口，紊流強度設(shè)為5%，水利直徑按長方形入口計算公式計算分別為0.083m和0.167m；氣流出口設(shè)為流體出口，無需定義任何內(nèi)容，此處不考慮水膜對溫度及流場的影響。

1.4 計算方法

冷凝器在工作時，由于風(fēng)機強制循環(huán)空氣，冷凝器內(nèi)腔氣流處于紊流狀態(tài)。在本試驗中，采用Simplec算法求解壓力、速度的耦合，該算法計算精度高，使模擬結(jié)果更貼切實際情況［19］?？刂品匠讨懈黜楇x散格式選擇二階迎風(fēng)格式，相比一階迎風(fēng)格式，二階迎風(fēng)格式具有更小的擴散性，模擬精度更高［20］。松弛因子設(shè)置采取默認設(shè)置，收斂判斷條件為所有物理量的誤差小于10－6且出口速度處于平穩(wěn)狀態(tài)。

2 數(shù)值計算

2.1 穩(wěn)態(tài)模擬

在正常的CFD模擬中，通常默認只有在穩(wěn)態(tài)計算前提下驗證了數(shù)值模擬的可行性后才能進行下一步計算［21］。本研究中為了確保模型的可行性，對單面進風(fēng)、雙面進風(fēng)以及雙面加頂部組合進風(fēng)3種方式進行了穩(wěn)態(tài)模擬，并在模型中建立了腔體平均溫度以及回流面平均溫度監(jiān)控曲線圖。圖2為3種風(fēng)向下，冷凝器穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時的三維剖面溫度分布圖，剖面位置為z＝0.2，0.3，0.4m 處的XY截面。由圖2可知，冷凝器在模擬一定時段后收斂，長度方向溫度對稱分布，高度方向溫度逐漸增加，結(jié)合模型監(jiān)控曲線可以得出，內(nèi)腔溫度以及出風(fēng)口平均溫度都達到了相對穩(wěn)定，分別維持在302.3K以及303.2K左右，3種進風(fēng)方式之間略有差距，誤差維持在2%以內(nèi)，這是由于模型設(shè)置過程中，對冷凝器外壁以及盤管部分所用材料設(shè)置一定熱導(dǎo)率和熱流密度導(dǎo)致的。模擬計算后的結(jié)果顯示，本模擬方法較準(zhǔn)確可靠，鑒于實際中，冷凝器工作環(huán)境為一個非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，因此有必要對冷凝器做進一步的非穩(wěn)態(tài)模擬。

2.2 非穩(wěn)態(tài)模擬

圖2 穩(wěn)態(tài)模擬下冷凝器截面（z＝0.2，0.3，0.4m）溫度分布Figure 2 Temperature distribution in section of condenser（z＝0.2，0.3，0.4m）under steady state numerical simulation

圖3 單向進風(fēng)0，2，5s冷凝器截面（y＝0.125m）溫度分布Figure 3 Temperature distribution at 0，2，5sin section of condenser（y＝0.125m）with single inlet

以穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)模擬的初始條件，對冷凝器進行非穩(wěn)態(tài)模擬運算。圖3顯示了單面進風(fēng)冷凝器在運算0，2，5s時的三維溫度分布圖，剖面圖選取y＝0.125m處XZ的截面。比較后發(fā)現(xiàn)，單面進風(fēng)開始時，空氣侵入冷凝器內(nèi)部，靠近進風(fēng)口處的溫度下降較快，空氣流速在水平方向逐漸衰減，在流動過程中冷空氣與內(nèi)腔熱空氣不斷發(fā)生熱交換，在冷熱不同密度差的作用下，氣流組織逐漸改變了原來的運行軌跡，當(dāng)冷空氣氣流組織在到達冷凝器內(nèi)壁時，與內(nèi)壁面發(fā)生碰撞，近壁面處出現(xiàn)拐角，進而形成漩渦。

圖4、5分別顯示了冷凝器在單向進風(fēng)和雙向進風(fēng)2，5s時的空氣流場溫度、速度以及流場的分布情況。剖面圖取z＝0.1m處的XY截面。由圖4、5可知，冷凝器在進風(fēng)時，高度方向0.1m處XY截面處溫度場和氣流場在長度方向上較為對稱，水平方向單面空氣入侵速度快于兩面進風(fēng)速度，這是由于兩面進風(fēng)速度方向相對，進入冷凝器氣流組織之間相互沖突，減緩了整體吹入速度；雙面進風(fēng)下水平方向溫度較為平均，比起單面進風(fēng)，能夠獲得溫度較為均勻的入口進風(fēng)，更利于整體降低冷凝器內(nèi)腔的溫度。從2種進風(fēng)風(fēng)向速度分布圖（圖4（f）、5（f））可以發(fā)現(xiàn)，單面進風(fēng)冷凝器內(nèi)腔中更易出現(xiàn)渦流和死角區(qū)域，這是因為比起雙面進風(fēng)，單面進風(fēng)時內(nèi)腔空氣流速不均勻，氣流組織在碰到管壁以及壁面時，運動軌跡發(fā)生變化，氣流組織分布情況更復(fù)雜，易形成較多的渦流；雙面進風(fēng)冷氣流組織分布較為對稱，流動情況較為簡單，渦流的數(shù)量降低，且渦流的強度也有所減弱。

圖4 單面進風(fēng)2，5s冷凝器截面（z＝0.1m）溫度、速度和流場分布Figure 4 Temperature，velocity and streamline distributions at 2，5sin section of condenser（z＝0.1m）with single inlet

圖5 兩面進風(fēng)2，5s冷凝器截面（z＝0.1m）溫度、速度和流場分布Figure 5 Temperature，velocity and streamline distributions at 2，5sin section of condenser（z＝0.1m）with double inlets

圖6為雙向進風(fēng)時冷凝器內(nèi)腔高度方向溫度變化情況。為方便觀察，分別取2，5s時距離冷凝器底部0.2，0.3，0.4m處XY截面溫度分布圖。從圖6并結(jié)合圖2雙向進風(fēng)穩(wěn)態(tài)時溫度分布可以看出，模擬2s時，由于反應(yīng)時間較短，冷凝器入口氣流組織相互沖突，降低了氣流進入內(nèi)腔速度，影響了換熱，腔體內(nèi)部高度方向溫度在外界條件變化時略有升高；隨著冷空氣不斷吹入盤管間隙，冷氣流在浮力作用下上升，與盤管進行換熱吸收熱量，內(nèi)腔溫度開始下降，隨著冷氣流的繼續(xù)侵入，內(nèi)腔溫度逐漸向穩(wěn)定發(fā)展；盤管彎頭與冷凝器外殼之間區(qū)域空氣流速較小，換熱效果較差，與冷凝器盤管間隙溫度相比，溫度較高。

圖7為三面進風(fēng)時冷凝器在運算0，2，5s時的三維溫度分布圖，剖面圖選取y＝0.05，0.15，0.22m 處的XZ截面。比較三者可以看出，三面進風(fēng)開始時，冷凝器內(nèi)腔壓力在冷熱氣流溫差作用下壓差較大，瞬間進入內(nèi)腔冷氣流較多，內(nèi)腔溫度有所下降，隨著時間的推移，侵入的冷氣流逐漸增多，三股氣流組織匯合，空氣與盤管進一步換熱，內(nèi)腔溫度慢慢升高，經(jīng)歷一段時間后，內(nèi)腔溫度逐漸達到穩(wěn)定。

圖6 雙向進風(fēng)2，5s冷凝器截面（z＝0.2，0.3，0.4m）溫度分布Figure 6 Temperature distribution at 2，5sin section of condenser（z＝0.2，0.3，0.4m）with double inlets

圖7 三面進風(fēng)冷凝器0，2，5s時截面（y＝0.05，0.15，0.22m）溫度分布Figure 7 Temperature distribution at 0，2，5sin section of condenser（y＝0.05，0.15，0.22m）with three inlets

2.3 討論

通過單面進風(fēng)、雙面進風(fēng)的模擬試驗分析，進風(fēng)速度在水平方向逐漸衰減，發(fā)現(xiàn)可以適當(dāng)增加進風(fēng)口氣流組織的速度，從而縮短冷凝器內(nèi)腔整體溫度達到均勻狀態(tài)的時間。

單向進風(fēng)時，冷凝器內(nèi)腔部分會出現(xiàn)吹風(fēng)死角，貼近管壁和壁面地方出現(xiàn)較多數(shù)量的渦流，雙向進風(fēng)與單向進風(fēng)相比，可以降低因熱流擾動引起的渦流數(shù)量以及強度。

水平吹入冷空氣，冷凝器高度方向氣流組織在長度方向呈對稱分布，考慮可以改變進風(fēng)面積的大小以及進風(fēng)角度來提高內(nèi)腔氣流場分布均勻性。

三面進風(fēng)冷凝器在工作初始階段降溫效果較好，可以通過調(diào)節(jié)頂部與底部進風(fēng)口進風(fēng)速度，來進一步提高冷凝器換熱效果。

鑒于在本研究中對物理模型進行了合理性假設(shè)，以及設(shè)定了一系列不同的邊界條件，計算模擬與實際測試存在一定的誤差，在以后的非穩(wěn)態(tài)模擬中，有必要進一步細化模型，延長模擬計算時長，得出不同風(fēng)向作用下，冷凝器內(nèi)腔溫度場以及氣流場達到均勻時的情況。

3 結(jié)論

本試驗采用CFD技術(shù)模擬了不同風(fēng)向?qū)φ舭l(fā)式冷凝器內(nèi)腔溫度場以及流場分布情況，分析對比3種不同風(fēng)向模擬情況，得出了以下幾個結(jié)論：

（1）單面進風(fēng)時，冷凝器內(nèi)腔下部靠近進風(fēng)口處空氣溫度下降較快，冷氣流水平侵入冷凝器底部，在密度差作用下逐漸上升與內(nèi)腔冷凝盤管進行換熱；

（2）與單面進風(fēng)相比，雙面進風(fēng)氣流組織在長度方向上分布較為對稱，雙面進風(fēng)能夠降低氣流因管壁和壁面處熱流擾動引起的渦流的數(shù)量和強度；

（3）三面進風(fēng)時，冷凝器的內(nèi)腔溫度在三股氣流共同作用下，先后經(jīng)歷一個先下降再上升的過程，貼近壁面處，有空氣流動死角存在，部分點的局部溫度較高；

隨著CFD模擬技術(shù)在蒸發(fā)式冷凝器方面研究的深入，在以后的計算模擬中，可以嘗試在特定噴淋水密度的條件下，研究不同進風(fēng)速度、進風(fēng)角度以及進風(fēng)面積對蒸發(fā)式冷凝器換熱效果的影響。

讓我來說一下這個島。這里叫東極島，是這個國家最東面的一個島嶼，是這個陸地最遙遠的一粒餅干屑，是這只公雞上最不起眼的一粒雞米花。太平洋的風(fēng)率先撲到我們島上，我的房子矗立在這個島東邊最平坦的泥土上。我的窗口比我的門大，和你們不同的是，我的窗永遠打開，只有起風(fēng)的時候，我才關(guān)上；但你們的窗永遠關(guān)著，只有起風(fēng)的時候，你們才打開。

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