珠海格力電器股份有限公司 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 左雙全 胡雪音 朱 豪 畢 然

0 引言

規(guī)整填料是一種氣-液接觸設(shè)備，基于其較大的比表面積，為氣液兩相的傳熱與傳質(zhì)過(guò)程提供高效的接觸空間。規(guī)整填料的高效性以液相在其表面的均勻分布為前提，這就要求填料本身能夠很好地被液相浸潤(rùn)，即要求填料具有較大的有效浸潤(rùn)面積。填料的有效浸潤(rùn)面積是液膜在其表面進(jìn)行薄膜流動(dòng)的結(jié)果，因此研究并獲取規(guī)整填料表面液膜流動(dòng)過(guò)程的狀態(tài)顯得非常重要。

填料或介質(zhì)是直接蒸發(fā)冷卻器的核心部件。目前,填料主要有木絲填料、剛性填料和合成填料3種[1]。填料表面液膜流動(dòng)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，填料材料表面特性、淋水密度、氣相流速及液相物性等都會(huì)對(duì)液膜布液過(guò)程及氣液兩相的傳熱傳質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生很大的影響[2]。

早在20世紀(jì)初，Nusselt就開始嘗試研究并描述液膜的流動(dòng)過(guò)程，建立了液膜在無(wú)限大平板上的降膜理論，并給出液膜厚度、液膜厚度方向流速及表面流速推導(dǎo)式[3]。在此之后，Nakyaa等人針對(duì)液膜表面波動(dòng)發(fā)生的臨界條件、波動(dòng)頻率及波速等進(jìn)行了研究，認(rèn)為光滑的液膜表面也可能會(huì)受到氣液剪切力的影響，當(dāng)雷諾數(shù)Re超過(guò)某一極限時(shí)，液膜表面流動(dòng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生界面波動(dòng)[4]。

薄膜表面界面波的產(chǎn)生機(jī)理及運(yùn)動(dòng)特性激起了一些學(xué)者的興趣。其中，Miyara的研究揭示了薄膜流態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程：與流體的層流-湍流轉(zhuǎn)變過(guò)程非常類似，薄膜流態(tài)的轉(zhuǎn)變以臨界Re為界限，可大致劃分為：完全平滑區(qū)、正弦波動(dòng)區(qū)(過(guò)渡區(qū))、滾動(dòng)波區(qū)及完全湍流區(qū)[5]。

早期的薄膜流動(dòng)研究大多以無(wú)限大平板為物理模型，然而，工程上通常需要考慮填料的比表面積等關(guān)乎性能的參數(shù)，故常選用波紋板作為實(shí)際的填料構(gòu)型。Negny等人利用數(shù)值模擬方法對(duì)波紋壁面上薄膜流動(dòng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，液膜在波紋板各處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)存在不均勻性，相對(duì)于波峰位置，波谷更容易發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性；且淋水密度越大，不穩(wěn)定程度越強(qiáng)，當(dāng)布液流速達(dá)到一定限值，會(huì)產(chǎn)生旋渦漂流現(xiàn)象[6]。張?zhí)熘热藢?duì)交錯(cuò)波紋通道內(nèi)蒸發(fā)傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)改變?nèi)肟跐穸葪l件得出一系列數(shù)值模擬解，并闡述了交錯(cuò)通道內(nèi)濕度的分布狀況規(guī)律[7]。谷芳以交錯(cuò)型規(guī)整填料為對(duì)象，采用VOF模型對(duì)波紋狀局部表面降膜過(guò)程進(jìn)行數(shù)值研究，在模型中加入表面張力和氣液剪切力2個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)降膜理論模型準(zhǔn)確性[2]。

在前期薄膜流動(dòng)機(jī)理性研究的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者和工程師開始著眼于規(guī)整填料的整體布液性能研究。龔毅等人以蒸發(fā)式冷凝器為對(duì)象，采用數(shù)值仿真的方法，對(duì)比分析了不同波紋板型、風(fēng)速、布液流量等可控因素對(duì)蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響[8]。

上述關(guān)于薄膜流動(dòng)的數(shù)值仿真研究，仍主要停留在二維或者三維簡(jiǎn)化模型層面，與實(shí)際模型有一定偏差，然而，規(guī)整填料實(shí)際模型對(duì)薄膜流動(dòng)影響很大，不宜對(duì)模型作太多簡(jiǎn)化。本文以工程常用的交錯(cuò)型規(guī)整填料為研究對(duì)象，建立三維結(jié)構(gòu)幾何模型，并通過(guò)ANSYS Fluent對(duì)填料表面液相布液過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，探究淋水密度、填料波紋板片間距及搖擺角度等參數(shù)對(duì)填料布液面積和進(jìn)出口壓降的影響。

1 物理與數(shù)值模型

1.1 物理模型

本文所研究對(duì)象為交錯(cuò)型規(guī)整填料,它由多片波紋板依次疊加構(gòu)成。由于填料本身滿足周期性邊界條件要求，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，選取填料中的2片進(jìn)行建模，其物理模型如圖1所示，模型長(zhǎng)40 mm、寬10 mm、高50 mm，波紋角度45°，波紋高度5 mm,波紋板厚度0.2 mm。

圖1 交錯(cuò)規(guī)整填料

1.2 數(shù)值模型與邊界條件

依據(jù)圖1的物理模型，建立本文的數(shù)值仿真模型，如圖2所示，在波紋板外圍設(shè)置一個(gè)封閉的立方體空間，作為流體域的邊界，立方體各面距波紋板邊界約3～5 mm。

圖2 數(shù)學(xué)計(jì)算模型、邊界條件與填料傾斜方向

設(shè)置氣相和液相的進(jìn)口為速度入口，氣相和液相的出口為壓力出口，其余波紋板表面和流體邊界設(shè)置為無(wú)滑移壁面。

1.3 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

鑒于濕簾本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，本文采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并對(duì)液膜分布表面及2片填料相交處進(jìn)行了局部加密處理，圖3a顯示了計(jì)算流體域網(wǎng)格。為了排除網(wǎng)格數(shù)量變化對(duì)研究變量的影響，設(shè)置如表1所示的3種尺寸的網(wǎng)格，并以4個(gè)波紋板表面的液相體積分?jǐn)?shù)為監(jiān)控變量。如圖3b所示，網(wǎng)格從Grid2到Grid3，各監(jiān)控變量的最大變化率為5.8%，綜合考量波紋板網(wǎng)格劃分質(zhì)量和計(jì)算資源限制，本文選擇網(wǎng)格Grid3作為后續(xù)計(jì)算網(wǎng)格。

圖3 濕簾網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

表1 各網(wǎng)格參數(shù)

1.4 控制方程

1.4.1自由液面模型

液膜在流動(dòng)過(guò)程中，其自由邊界也是變化的，這使得對(duì)自由界面的離散化處理非常困難，本文采用VOF界面追蹤技術(shù)研究規(guī)整填料上自由界面的流動(dòng)。VOF模型能夠有效解決2種或多種互不相容流體的自由界面問(wèn)題。它要求在同一個(gè)定義域內(nèi)只能存在一種流體相，并通過(guò)引入體積分?jǐn)?shù)的概念來(lái)表征相界面：體積分?jǐn)?shù)介于0和1之間的網(wǎng)格區(qū)域就是相界面。VOF模型需要分別求解各相的壓力與速度場(chǎng)方程[9]。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式(1)、(2)中 t為時(shí)間，s；ρ為流體密度，kg/m3；v為速度矢量，m/s；g為自由落體加速度,m/s2；p為壓降,Pa；τ為黏性應(yīng)力，Pa。

式(2)中各物理量均指各相流體的平均值，其平均值采用體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行求解，例如式(3)為多相體系中平均密度方程：

式中 αi為第i相的體積分?jǐn)?shù)；ρi為第i相的密度。

另外，本文主要研究交錯(cuò)型規(guī)整填料表面液膜鋪展過(guò)程，通常而言，該液膜厚度很小，很容易在某些附加應(yīng)力的影響下發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，造成液膜流態(tài)的變化。因此需要在方程中考慮附加壓力源項(xiàng)[2]，本文主要考慮表面張力動(dòng)力源項(xiàng)，則：

(4)

式中 FVOL為表面張力動(dòng)力源項(xiàng)，kg/(m·s)2。

1.4.2表面張力與接觸角模型

采用連續(xù)表面力(CSF)模型求解表面張力動(dòng)力源項(xiàng)。CSF模型僅考慮垂直于邊界的作用力，并認(rèn)為表面張力系數(shù)σ為定值。對(duì)于簡(jiǎn)單的氣液兩相流體，表面張力可根據(jù)式(5)進(jìn)行求解。

式中 σ為兩相之間表面張力系數(shù)，N/m；k為相界面曲率。

實(shí)際操作過(guò)程中，要判斷表面張力是否對(duì)薄膜流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了不可忽略的影響，一般采用(Re、Ca)或者(Re、We)進(jìn)行定量判斷：

式中 μ為分子黏度，kg/(m·s)；u為特征流速，m/s;L為特征長(zhǎng)度，m。

若f?1,則可忽略表面張力的影響，否者就需要在動(dòng)量方程中加入FVOL。

1.5 計(jì)算方法

本文采用VOF模型計(jì)算波紋板薄膜流動(dòng)過(guò)程，湍流模型選用RealizableK-ε模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。壓力項(xiàng)采用PRESTO！算法，壓力-速度耦合項(xiàng)采用SIMPLEC算法,由于局部網(wǎng)格尺寸較小，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-5s?？紤]重力的影響，重力方向?yàn)檠貁軸負(fù)方向，取值為-9.81 m/s2。

2 仿真結(jié)果與分析

VOF模型為瞬態(tài)仿真模型，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)模型中各物理量隨時(shí)間作隨機(jī)性變動(dòng)，因此很難以某一物理量的嚴(yán)格穩(wěn)定作為模型穩(wěn)定的判斷依據(jù)。本文采用時(shí)間平均法，以出口液相流速在單位時(shí)間內(nèi)的均值達(dá)到穩(wěn)定作為模型判穩(wěn)條件。

另外，在工程上，以蒸發(fā)冷卻為目的的規(guī)整填料，其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為填料蒸發(fā)量和壓降。其中，填料蒸發(fā)量是填料表面布液面積的函數(shù)，故本文選取填料布液面積和壓降2個(gè)指標(biāo)，對(duì)各方案下的填料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 淋水密度對(duì)波紋板液膜流動(dòng)的影響

工程上，淋水密度是規(guī)整填料最常見控制條件之一，淋水密度主要影響規(guī)整填料的布液面積和有效進(jìn)風(fēng)面積，填料布液面積越大，氣液兩相之間的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程越充分，填料的溫降和蒸發(fā)量越大，效率也就越高；有效進(jìn)風(fēng)面積指填料內(nèi)部風(fēng)道中，未被液相封堵的面積，即有效進(jìn)風(fēng)面積越小，風(fēng)道阻力越大，進(jìn)出口壓降越大，同時(shí)填料處氣動(dòng)噪聲也就越大。

如圖4所示，本文選取1.4、4.2、7.8、11.2 m3/(m2·h)4種淋水密度，研究其對(duì)填料布液面積和有效進(jìn)風(fēng)面積的影響。從圖5可以看出，隨著淋水密度的增加，波紋板表面布液面積逐漸增大，當(dāng)淋水密度大于7.8 m3/(m2·h)時(shí)，布液面積增長(zhǎng)率趨近于零，淋水密度對(duì)增加布液面積的貢獻(xiàn)率逐漸降低。此時(shí)，填料表面已趨于飽和，淋水密度的增加主要導(dǎo)致液膜厚度增大，進(jìn)而導(dǎo)致填料的堵孔面積增大，如圖6所示，填料內(nèi)部出現(xiàn)局部積液現(xiàn)象，這將增大填料通風(fēng)阻力，并引發(fā)強(qiáng)烈的氣動(dòng)噪聲。因此，合理控制填料淋水密度對(duì)提升填料蒸發(fā)降溫性能、控制通風(fēng)阻力和噪聲具有重要作用。

圖4 不同布液量下波紋板正面液相分布

圖5 淋水密度對(duì)壓降與布液面積的影響

圖6 不同布液量下波紋板側(cè)面液相分布

2.2 波紋板傾斜度對(duì)布液狀態(tài)的影響

在某些工程實(shí)踐中，需要將填料整體繞重力方向進(jìn)行一定程度的傾斜，甚至需要填料作一定頻率的搖擺運(yùn)動(dòng)，并在非穩(wěn)態(tài)擺動(dòng)的情況下完成布液過(guò)程。

在傾斜過(guò)程中，受重力影響，液相在填料表面流動(dòng)方向發(fā)生改變，這將影響液相的分布情況；另一方面，填料在傾斜過(guò)程中存在液相從填料溢出的可能性，這是工程應(yīng)用所不允許的。圖7顯示了填料在傾斜過(guò)程中的布液情況。各傾斜工況下，淋水密度皆為7.8 m3/(m2·h)。

隨著傾角的增大，填料表面原有的液膜分布狀態(tài)被打破，液相向著靠近旋轉(zhuǎn)方向的一端聚集，出現(xiàn)局部積液、甚至堵孔現(xiàn)象；而在遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)方向的一端，則出現(xiàn)局部破膜現(xiàn)象。傾角越大，上述積液與破膜程度越大，如圖7、8所示，當(dāng)傾角大于約20°時(shí)，填料將出現(xiàn)液相溢出現(xiàn)象，填料側(cè)面液相的傾瀉流量將急劇增加，填料本身持液量也會(huì)減少，導(dǎo)致布液面積快速減少。在該淋水密度為7.8 m3/(m2·h)時(shí)，本結(jié)構(gòu)填料的極限傾角約為20°。

圖8 傾角與填料傾瀉流量

2.3 波紋板片間距影響

片間距是規(guī)整填料的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，它是指填料中2片波紋板之間的平行距離。在工程實(shí)踐中，可通過(guò)調(diào)整波紋板片間距來(lái)調(diào)節(jié)填料氣相的進(jìn)出口壓降，但另一方面，波紋板片間距變化也會(huì)顯著影響規(guī)整填料的布液面積和持液量，進(jìn)而對(duì)填料的蒸發(fā)降溫等性能產(chǎn)生較大的影響。

本文設(shè)計(jì)了0、0.4、0.8、1.2 mm 4種不同片間距的規(guī)整填料，探究其對(duì)進(jìn)出口壓降及布液面積的影響，各工況下，保持淋水密度為7.8 m3/(m2·h)。仿真結(jié)果如圖9所示，隨著波紋板片間距的增大，填料氣相進(jìn)出口壓降先是驟降至17 Pa左右，而后迅速趨于平穩(wěn)；布液面積則隨著片間距的增加而緩慢降低，當(dāng)片間距達(dá)到1.2 mm時(shí)，布液面積迅速減小到5.1×10-3m2。

圖9 波紋板片間距對(duì)壓降和布液面積的影響

片間距對(duì)氣相通道面積的影響如10所示，若規(guī)整填料片間距極小甚至為零，當(dāng)薄膜態(tài)液相運(yùn)動(dòng)至2片的接觸點(diǎn)時(shí)，由于前行流道被阻隔，導(dǎo)致液相在接觸點(diǎn)附近逐漸形成積液。片間距越小，淋水密度越大，則該處積液現(xiàn)象越嚴(yán)重，積液現(xiàn)象導(dǎo)致有效進(jìn)風(fēng)面積縮減，風(fēng)道阻力增大，此時(shí)填料的進(jìn)出口壓降較大。當(dāng)適當(dāng)增大片間距時(shí)，由于液相在接觸點(diǎn)處不再被阻擋，則積液現(xiàn)象會(huì)明顯改善甚至消失，相應(yīng)地，由積液現(xiàn)象所引發(fā)的進(jìn)出口壓降也會(huì)迅速降低。若片間距繼續(xù)增大，氣相通道截面積增大，風(fēng)阻減小，進(jìn)出口壓降也會(huì)進(jìn)一步緩慢降低；另一方面，從布液面積的角度考察上述過(guò)程，若適當(dāng)增大片間距，來(lái)自布液孔的液相絕大部分依然會(huì)在波紋板表面運(yùn)動(dòng)，因此填料的布液面積并不會(huì)顯著降低，但當(dāng)片間距超過(guò)一定限值，淋水流量中將會(huì)有相當(dāng)一部分經(jīng)由片間距的空隙直接向下流動(dòng)，造成波紋板短路，則此時(shí)布液面積會(huì)急劇減小。

圖10 片間距對(duì)氣相通道面積的影響

仿真結(jié)果表明，適當(dāng)增大填料中波紋板片間距，可以有效降低氣相通過(guò)阻力，提升填料的綜合性能。

3 結(jié)論及展望

1) 通過(guò)研究4種不同淋水密度對(duì)填料布液面積及壓降的影響，得到該規(guī)整填料的最佳淋水密度約為7.8 m3/(m2·h)。

2) 通過(guò)設(shè)置0°、15°、30°與45°幾種不同波紋板傾角，探究填料在傾斜工況下的布液性能，結(jié)果表明，在7.8 m3/(m2·h)淋水密度下，該規(guī)整填料的極限傾角約為15～20°，搖擺角度超過(guò)該極限，將會(huì)發(fā)生液相從填料表面大量?jī)A瀉現(xiàn)象。

3) 通過(guò)設(shè)置4組不同的波紋板片間距，探究其對(duì)填料整體壓降的影響，結(jié)果表明，波紋板片間距為0.4 mm時(shí)布液面積較大、壓降較小，可有效降低甚至消除由原接觸點(diǎn)處積液所引起的壓降，并可保證填料的布液面積損失較小。

作為項(xiàng)目的前期階段，本文主要通過(guò)數(shù)值仿真方法探究了淋水密度、波紋傾角等變量對(duì)濕簾蒸發(fā)性能和阻力特性的影響。后續(xù)將開展對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究工作，以便進(jìn)一步驗(yàn)證上述變量在工程上的實(shí)際效果。