黃錕騰 陳健勇 陳 穎 羅向龍 楊 智 梁穎宗

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣州 510006)

我國是全球最大的制冷產(chǎn)品生產(chǎn)、消費(fèi)和出口國。制冷相關(guān)行業(yè)用電量占全社會(huì)用電總量15%以上，制冷行業(yè)主要產(chǎn)品節(jié)能空間達(dá)30%～50%[1]?！毒G色高效制冷行動(dòng)方案》提出，至2030年，制冷總體能效水平提升25%以上，綠色高效制冷產(chǎn)品市場(chǎng)占有率提高40%以上[2]。制冷系統(tǒng)的節(jié)能減排意義重大，而冷凝器是制冷系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，相關(guān)強(qiáng)化傳熱技術(shù)備受關(guān)注。

制冷劑在冷凝過程中由氣體逐漸冷凝為液體，液膜在管壁集聚并逐漸增厚，導(dǎo)致熱阻和流阻增加。彭曉峰等[3]提出“分液冷凝”強(qiáng)化傳熱思想，管內(nèi)冷凝傳熱流型演化、分液冷凝原理和傳熱系數(shù)的變化如圖1所示，將冷凝分成若干段，段間實(shí)施氣液分離，及時(shí)排除冷凝液，氣體進(jìn)入下一段與管壁充分接觸繼續(xù)冷凝，因此提高了傳熱系數(shù)。此外，冷凝液排出減少了進(jìn)入下一管程的流量，有效降低了流阻，可實(shí)現(xiàn)壓降降低?！胺忠豪淠被驹砜煽偨Y(jié)為：“短管(流程)冷凝”提高干度和保持高效傳熱形態(tài)實(shí)現(xiàn)傳熱系數(shù)增加(圖1)，“中間氣液分離”減低流速實(shí)現(xiàn)降低壓降，以及用“全程等速”實(shí)現(xiàn)均勻換熱[5]。

圖1 管內(nèi)冷凝傳熱流型演化、分液冷凝原理和傳熱系數(shù)的變化[4]

Chen Jianyong等[6]對(duì)采用分液冷凝器的家用空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在冷卻模式下EER(energy efficiency ratio)可提升9.8%，而在制熱模式下COP(coefficient of performance)可提升7.3%。Li Yunhai等[7]指出壓縮機(jī)的可避免火用損失在帶有分液冷凝器的制冷系統(tǒng)中可降低45.5%，證實(shí)分液冷凝能夠提升系統(tǒng)性能。

對(duì)分液冷凝器的研究主要集中于管翅式分液冷凝器，實(shí)現(xiàn)氣液分離的結(jié)構(gòu)有T型管、金屬絲網(wǎng)和聯(lián)箱-小孔型等。Li Jun等[8]研究了T型管微通道分液冷凝器，發(fā)現(xiàn)在相同流量下T型管微通道分液冷凝器比常規(guī)微通道冷凝器出口溫度降低1.3 ℃。但所提T型管分液冷凝器只能實(shí)現(xiàn)一次氣液分離，且T型管本身的氣液分離效率較低[9]，導(dǎo)致分液冷凝強(qiáng)化傳熱效果有限。Cao Shuang等[10]將金屬絲網(wǎng)應(yīng)用于管內(nèi)冷凝，在毛細(xì)力作用下，液體存在于絲網(wǎng)內(nèi)，而氣體存在于絲網(wǎng)與壁面之間，氣體與管壁直接接觸的面積增大，傳熱系數(shù)可提升72%，但由于管內(nèi)插入了絲網(wǎng)導(dǎo)致壓降也有所增加。聯(lián)箱-小孔型分液冷凝器如圖2所示，通過在聯(lián)箱隔板上添加氣液分離小孔，實(shí)現(xiàn)“阻氣排液”，具有結(jié)構(gòu)簡單、高效氣液分離等特點(diǎn)[11]。Zhong Tianming等[12]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)分液冷凝器的壓降比蛇形管和平行流冷凝器的壓降分別低81.4%和64.6%。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)量流速超過590 kg/(m2·s)或平均干度大于0.57時(shí)，其傳熱系數(shù)高于普通冷凝器，壓降也降低了30.5%～52.6%[13]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳熱系數(shù)增加和壓降降低。

圖2 分液冷凝器及聯(lián)箱-小孔型氣液分離單元

對(duì)于聯(lián)箱-小孔型氣液分離器，其高效分離是影響分液冷凝器性能的關(guān)鍵，影響因素眾多。Mo Songping等[14-15]采用水和空氣研究了不同流型下聯(lián)箱-小孔型氣液分離器的氣液分離性能，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀流的氣液分離效率超過45%，彈狀流的氣液分離效率超過80%，分層流的氣液分離效率可達(dá)100%。郭文仙等[16]對(duì)聯(lián)箱-小孔型氣液分離器進(jìn)行變工況分析，發(fā)現(xiàn)出口支管的氣液相分配均勻性隨氣相質(zhì)量流量的增大而提升。樂文璞等[17]對(duì)含有凹槽結(jié)構(gòu)的聯(lián)箱-小孔型氣液分離器進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)凹槽結(jié)構(gòu)有利于液膜在聯(lián)箱底部的沉積，且分液孔液相流量的波動(dòng)幅度隨著槽深的增加而減小。李逸帆等[18]研究了不同工質(zhì)的氣液分離性能，發(fā)現(xiàn)R1234ze的分液效率可達(dá)到71.3%。目前對(duì)聯(lián)箱-小孔型氣液分離器的研究主要集中于入口干度、聯(lián)箱高度和凹槽深度等，而對(duì)分液孔大小如何影響支管液相溢出、漏氣等研究較少，且分液孔位置的影響尚無報(bào)道，影響機(jī)制尚不清晰，導(dǎo)致分液孔合理設(shè)計(jì)困難，分液冷凝的優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮。

本文采用CFD數(shù)值模擬，首先分析了聯(lián)箱盲板結(jié)構(gòu)(無分液孔)內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)特性，基于盲板上的壓力分布來確定分液孔位置；然后討論了不同分液孔位置和大小對(duì)氣液分離性能的影響，為聯(lián)箱-小孔型氣液分離器的合理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 物理模型和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本文選取與Chen Xueqing可視化實(shí)驗(yàn)[19]中相同的聯(lián)箱-小孔型氣液分離器結(jié)構(gòu)和外形尺寸，共研究3種隔板結(jié)構(gòu)，包括聯(lián)箱盲板結(jié)構(gòu)(常規(guī)冷凝器)及2種單分液孔聯(lián)箱-小孔型氣液分離器(分液冷凝器)，如圖3所示。其中支管直徑d1為7 mm，聯(lián)箱高度H1為51 mm，支管間距H2為14 mm，聯(lián)箱直徑D1為12.7 mm，隔板厚度H3為2 mm。

圖3 聯(lián)箱結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用VOF多相流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行求解。同時(shí)選取環(huán)狀流作為入口流型，根據(jù)J.El Hajal等[20]提出的空泡率模型計(jì)算液膜厚度以及氣相和液相的流速，通過自定義函數(shù)在求解器中編譯入口工況。此外，入口支管和出口的邊界條件分別定義為速度進(jìn)口和壓力出口。

采用有限體積法(FVM)進(jìn)行離散，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，所有通量計(jì)算采用二階迎風(fēng)離散格式；當(dāng)連續(xù)性方程的殘差低于10-3、其余方程的殘差低于10-4，且聯(lián)箱內(nèi)氣液兩相工質(zhì)質(zhì)量的總體標(biāo)準(zhǔn)差小于10-5時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為衡量聯(lián)箱-小孔型氣液分離器的性能，分別定義了分液效率η、溢出率ε和漏氣率θ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

分液效率為從分液孔流出的液相質(zhì)量流量ml,out2占進(jìn)口液相質(zhì)量流量ml,in的比例。分液效率越高，證明從分液孔中流出的液相質(zhì)量流量越多，分液性能越好。

(1)

溢出率為出口支管流出的液相質(zhì)量流量ml,out1占進(jìn)口液相質(zhì)量流量ml,in的比例。當(dāng)聯(lián)箱內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定后，其分液效率與溢出率之和應(yīng)為1。

(2)

漏氣率為分液孔流出的氣相質(zhì)量流量mv,out2占進(jìn)口氣相質(zhì)量流量mv,in的比例。

(3)

氣液慣性力比值N為分液孔處氣相與液相的慣性力比值。

(4)

式中：ρl、ρv分別代表液相、氣相的密度，kg/m3；Jl、Jv分別代表液相、氣相在分液孔處的表觀流速，m/s。氣液慣性力比值N越大，分液孔處所受到的沖擊越大。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為精準(zhǔn)獲得分液孔處的流動(dòng)參數(shù)，將聯(lián)箱-小孔型氣液分離器分為兩個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)分液孔處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖4所示。

圖4 聯(lián)箱-小孔型氣液分離器網(wǎng)格

對(duì)于網(wǎng)格數(shù)量，采用5種網(wǎng)格數(shù)量(73萬、89萬、101萬、125萬、144萬)進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，不同網(wǎng)格數(shù)下從分液孔流出的液相質(zhì)量流量如圖5所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于101萬時(shí)，液相質(zhì)量流量趨于平穩(wěn)。因此，本文采用101萬網(wǎng)格進(jìn)行求解，其網(wǎng)格最小正交質(zhì)量、最大正交歪斜率和最大長寬比分別為0.54、0.43和2.53。

圖5 不同網(wǎng)格數(shù)下從分液孔流出的液相質(zhì)量流量

1.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

陳雪清[21]搭建了聯(lián)箱-小孔型氣液分離器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過改變流速和壓力對(duì)其漏液速度進(jìn)行了研究。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，采用與文獻(xiàn)[21]中相同的結(jié)構(gòu)(圖6)和工況(表1)，計(jì)算了不同入口干度下從分液孔流出的液相質(zhì)量流量，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7所示，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，平均誤差為9.13%。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[21]

表1 入口工況

圖7 不同進(jìn)口干度下分液孔流出的液相質(zhì)量流量

2 結(jié)果與討論

分液孔在隔板上的位置和大小對(duì)工質(zhì)在聯(lián)箱內(nèi)的流動(dòng)特性影響較大。本文首先研究聯(lián)箱盲板結(jié)構(gòu)中的工質(zhì)流動(dòng)特性，為分液孔的設(shè)置提供支持；其次研究不同聯(lián)箱-小孔型結(jié)構(gòu)內(nèi)氣液兩相、壓力和速度等分布特性，揭示分液機(jī)理；最終對(duì)氣液分離性能進(jìn)行討論。

基于管翅式分液冷凝器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]，本文設(shè)置入口流量為3 g/s，冷凝溫度為318.15 K，入口干度為0.5。工質(zhì)為R134a，其物性參數(shù)從Refprop 9.1[22]中調(diào)取，如表2所示。

表2 流體物性參數(shù)

2.1 隔板上分液孔的設(shè)置

目前分液冷凝器中分液孔的位置和大小的設(shè)計(jì)依據(jù)不清晰。因此，基于無分液小孔的聯(lián)箱盲板內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)特性，對(duì)聯(lián)箱中分液孔位置和大小的設(shè)置提供依據(jù)。

聯(lián)箱盲板上的壓力分布如圖8所示，隔板上壓力沿隔板中心沿右向左方向先減小后增大，隔板右側(cè)存在壓力高峰值區(qū)，而低壓區(qū)在隔板左側(cè)中央處。研究隔板上方聯(lián)箱內(nèi)的液膜流動(dòng)，聯(lián)箱盲板結(jié)構(gòu)速度分布如圖9所示，發(fā)現(xiàn)沿壁面流下的液相工質(zhì)在1處分成兩個(gè)方向，其中一部分沖擊隔板最右側(cè)，該處壓力增大；另外一部分則反向流動(dòng)至3處，在3處再次分成兩個(gè)方向，其中一部分從聯(lián)箱出口支管中流出，另一部分則沿聯(lián)箱左側(cè)壁面向下流動(dòng)至4點(diǎn)處。液相工質(zhì)在4處的分離與1處相似，其中一路沖擊隔板左側(cè)，增大該區(qū)域的壓力；而另一路則先向右流動(dòng)再反向流動(dòng)至2處，形成一定的回流。由于從1處沖擊隔板的液相工質(zhì)的質(zhì)量和速度大于從4處沖擊隔板的液相工質(zhì)，隔板上的壓力峰值區(qū)存在于最右側(cè)。兩處受沖擊的區(qū)域壓力會(huì)向外擴(kuò)散，由于隔板最右側(cè)壓力大于隔板最左側(cè)壓力，因而在兩個(gè)壓力梯度的作用下，低壓區(qū)存在于隔板左側(cè)。

圖8 聯(lián)箱盲板壓力分布

圖9 聯(lián)箱盲板結(jié)構(gòu)速度分布

在聯(lián)箱-小孔型氣液分離器中，當(dāng)分液孔處上下壓差越大，液相工質(zhì)經(jīng)分液孔的速度越大。因此，將分液孔設(shè)置在聯(lián)箱盲板結(jié)構(gòu)中隔板上方的壓力峰值區(qū)，有利于液相工質(zhì)及時(shí)排出。氣液分離隔板結(jié)構(gòu)如圖10所示，根據(jù)盲板上的壓力分布，以隔板右側(cè)4.35 mm處作為分液孔圓心，在該圓心上設(shè)立4個(gè)不同分液孔徑(0.5、1.0、1.6、2.0 mm)；此外，目前分液孔位置均以隔板為中心的對(duì)稱分布[23]，甚至直接設(shè)置在隔板圓心處[11]，選取2個(gè)位于隔板中心且分液孔徑分別為1.6 mm和2.0 mm的結(jié)構(gòu)。對(duì)上述不同位置和大小的6種分液孔設(shè)置進(jìn)行研究，對(duì)比其相分布、壓力分布及速度分布。

圖10 氣液分離隔板結(jié)構(gòu)

2.2 氣液相分布特性

圖11所示為聯(lián)箱-小孔型氣液分離器中的氣液相分布。工質(zhì)以一定流速從入口支管流入聯(lián)箱后，由于液相工質(zhì)動(dòng)量較大，撞擊聯(lián)箱右側(cè)并沿壁面向下流動(dòng)，對(duì)分液隔板上的液膜產(chǎn)生沖擊。

圖11 不同聯(lián)箱結(jié)構(gòu)中的相分布

當(dāng)分液孔處在同一位置但不同孔徑時(shí)，如圖11(a)～(d)所示，隔板上方的高度隨著分液孔徑的增大而降低，在結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2中(分液孔徑分別為0.5 mm和1.0 mm)，由于分液孔流通率較小，液相工質(zhì)無法及時(shí)從分液孔中排出，大量液相工質(zhì)從出口支管中溢出，導(dǎo)致在分液冷凝器中下一管程的干度提高有限，不能實(shí)現(xiàn)高效冷凝，而且隔板上方的液膜有效緩解了右壁面流下液相工質(zhì)對(duì)隔板的沖擊，能夠形成穩(wěn)定液封，有效阻止了氣相工質(zhì)從分液孔流出。在孔徑為1.6 mm的結(jié)構(gòu)3中，流通率增大，出口支管的液相工質(zhì)溢出大幅減小，雖然隔板上具有液膜，但液膜高度小，分液小孔受到壁面下落液相工質(zhì)的沖擊，分液孔處出現(xiàn)了輕微的漏氣現(xiàn)象；當(dāng)孔徑增至2.0 mm時(shí)(結(jié)構(gòu)4)，從分液孔流出的液相質(zhì)量流量達(dá)到1.20 g/s，雖然出口支管不存在液相工質(zhì)溢出現(xiàn)象，但在分液孔上方已無法形成穩(wěn)定液封，存在較為嚴(yán)重的漏氣現(xiàn)象。因此，穩(wěn)定液膜和無液相工質(zhì)由出口支管溢出是高效氣液分離的必要條件。

當(dāng)分液孔徑相同而位置不同時(shí)，聯(lián)箱-小孔型氣液分離器的內(nèi)部流動(dòng)也有差異。如圖11(c)的結(jié)構(gòu)3和圖11(e)的結(jié)構(gòu)5中，孔徑均為1.6 mm，而位置距中心分別為4.35 mm和0時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)3中分液孔上方的液膜高度更低，這是由于分液孔處的壓力相比于隔板其他位置的壓力更低，當(dāng)分液孔距離聯(lián)箱右側(cè)壁面較近時(shí)，沿壁面流下的液膜更易對(duì)隔板上方的液膜造成擾動(dòng)，影響該處的液膜高度。圖11(d)的結(jié)構(gòu)4和圖11(f)的結(jié)構(gòu)6中，當(dāng)分液孔處在不同位置但孔徑均為2.0 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)4中的沖擊現(xiàn)象及漏氣現(xiàn)象更顯著，其聯(lián)箱左側(cè)液膜高度也更大。這是由于分液孔距離聯(lián)箱右側(cè)壁面更近，從壁面流下的液相工質(zhì)更易沖擊分液孔，氣相更易從分液孔中流出，也阻礙分液孔排液，導(dǎo)致隔板上方的液相工質(zhì)更多。

綜上所述，在相同工況下，液相工質(zhì)在出口支管的溢出量隨分液孔徑的增大而減小，在隔板上方無法形成穩(wěn)定液封時(shí)分液孔靠右更易受到液相工質(zhì)的沖擊。因此，需根據(jù)工況合理選取分液孔位置和大小，在高質(zhì)量流量時(shí)可選擇聯(lián)箱右側(cè)設(shè)置分液孔，在低質(zhì)量流量時(shí)應(yīng)將分液孔設(shè)置在遠(yuǎn)離聯(lián)箱右側(cè)以避免更劇烈的漏氣現(xiàn)象。

2.3 壓力分布特性

圖12所示為聯(lián)箱-小孔型氣液分離器的壓力分布。圖13所示為結(jié)構(gòu)3的壓力及流線分布。由圖12(a)可知，在結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2中由于液相工質(zhì)由出口溢出，隔板上方的液膜高度相近，在分液孔上方的壓力也相近。在結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4中由于分液孔受壁面的沖擊在分液孔處無法形成穩(wěn)定液封，分液孔上方的壓力低于小孔徑(結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2)的壓力。此外，結(jié)構(gòu)4由于沖擊現(xiàn)象和漏氣現(xiàn)象的加劇，壓力顯著下降。對(duì)比結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)5，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)3在分液孔上方的壓力均小于結(jié)構(gòu)5，且隨流動(dòng)距離呈現(xiàn)一定的波動(dòng)。這是由于在結(jié)構(gòu)3中分液孔上方的液膜高度較小，同時(shí)氣相工質(zhì)在分液孔上方的流動(dòng)存在漩渦，對(duì)液膜產(chǎn)生擾動(dòng)，造成此處壓力發(fā)生波動(dòng)，如圖13(b)所示。結(jié)構(gòu)4和結(jié)構(gòu)6無法形成穩(wěn)定液封，且漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重，它們的壓力分布基本一致。

圖12 聯(lián)箱-小孔型氣液分離器壓力分布

圖13 結(jié)構(gòu)3壓力及流線分布

由圖12(b)可知，在所有結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)入支管時(shí)壓力劇烈下降，這是由于流通面積突縮。在結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)6中，工質(zhì)在出口支管入口處的壓力存在波動(dòng)，這是由于工質(zhì)在出口支管的入口處流動(dòng)時(shí)存在漩渦，降低該處壓力，在遠(yuǎn)離漩渦區(qū)后，壓力逐漸平穩(wěn)，如圖13(c)所示。Lu Pei等[24]在T型氣液分離器中也觀察到類似現(xiàn)象。

綜上所述，當(dāng)分液孔能形成穩(wěn)定液膜時(shí)，隔板上方的壓力分布相近；當(dāng)隔板上方不能形成穩(wěn)定液膜時(shí)，其壓力分布隨分液孔的增大而逐漸減小。而隔板下方的壓力隨孔徑的增大而逐漸減小，沖擊影響分液孔上方的壓力分布。

2.4 速度分布

圖14所示為聯(lián)箱-小孔型氣液分離器在y=0截面的速度分布(藍(lán)色線代表氣相，黑色線代表液相)。工質(zhì)從入口支管進(jìn)入后，其中一部分流體向上流動(dòng)至聯(lián)箱上部，并在聯(lián)箱上部形成漩渦A；另一部分則向下流動(dòng)至聯(lián)箱中部，在聯(lián)箱中部均會(huì)流動(dòng)形成漩渦B。而在結(jié)構(gòu)1中還存在漩渦C，結(jié)構(gòu)4聯(lián)箱中部出現(xiàn)的旋渦B位置相比其余結(jié)構(gòu)的漩渦更靠近入口支管，這與流經(jīng)分液小孔的量和壓力分布有關(guān)。在聯(lián)箱下部，隔板上方主要以液相為主，液膜受壁面流下的液體沖擊，流動(dòng)更加復(fù)雜。如圖14(a)所示，結(jié)構(gòu)1由于分液孔較小，液相不能從小孔中及時(shí)排出，液相在1點(diǎn)處的流動(dòng)分離分成兩個(gè)方向，一部分沿液膜表面流動(dòng)至2處，另一部分則沿聯(lián)箱右壁面向下流動(dòng)。在2處，流動(dòng)再次分成3個(gè)方向，一部分繞聯(lián)箱左側(cè)壁面流動(dòng)形成漩渦，一部分流至1處形成漩渦，還有一部分則流動(dòng)至3處。在3處，一部分液相從分液孔中流出，還有一部分沿聯(lián)箱右壁面向上流動(dòng)，與從1處流下來的流體交匯。

在結(jié)構(gòu)2中，如圖14(b)所示，液相在1處也分成兩部分，與圖14(a)不同的是此時(shí)在聯(lián)箱左側(cè)不產(chǎn)生漩渦，而是直接流至2處。在2處，一部分從分液孔中流出，還有一部分沿聯(lián)箱右壁面向上流動(dòng)與1處流下的流體形成交匯。在其他結(jié)構(gòu)中，如圖14(c)～(f)所示，液膜內(nèi)部的流動(dòng)不存在兩股流動(dòng)方向相反的流體交匯現(xiàn)象，僅繞液膜表面流動(dòng)后流入分液孔。此外，在圖14(d)和圖14(f)中，由于沖擊現(xiàn)象的存在，部分氣相工質(zhì)從分液孔中流出。

圖14 y=0速度矢量分布

圖15所示為不同結(jié)構(gòu)中分液孔內(nèi)的速度分布。在結(jié)構(gòu)1～結(jié)構(gòu)3中，當(dāng)隔板上能形成穩(wěn)定液膜時(shí)，此時(shí)分液孔內(nèi)的速度分布相對(duì)對(duì)稱，分液孔處中心線處的速度較大，靠近壁面的速度較小。而在結(jié)構(gòu)4中，如圖15(d)所示，沿分液孔右側(cè)流入的工質(zhì)以較高的流速?zèng)_擊分液孔，而且一部分氣體進(jìn)入分液孔，導(dǎo)致分液孔內(nèi)右側(cè)存在漩渦。在結(jié)構(gòu)5和結(jié)構(gòu)6中，如圖15(c)和圖15(f)所示，分液孔內(nèi)的速度從左向右逐漸增大，聯(lián)箱右側(cè)的工質(zhì)以較高的流速流入分液孔時(shí)會(huì)擠壓左側(cè)工質(zhì)，造成右側(cè)流速大于左側(cè)，而且在結(jié)構(gòu)6中，雖然有氣體流入，但由于分液孔的位置遠(yuǎn)離沖擊區(qū)，因此沒有漩渦出現(xiàn)。

圖15 分液孔處速度矢量分布

綜上所述，當(dāng)分液孔上方能形成穩(wěn)定液膜時(shí)，分液孔越靠近聯(lián)箱右側(cè)，其在分液孔處的速度分布均勻性越好。

2.5 氣液分離性能

圖16所示為不同聯(lián)箱-小孔型氣液分離器中的氣液分離性能。當(dāng)分液孔在同一位置但孔徑不同時(shí)，即結(jié)構(gòu)1～結(jié)構(gòu)4，其分液效率、漏氣率和出口干度均隨分液孔徑的增大而逐漸增大，孔徑為2.0 mm時(shí)分液效率可達(dá)79.27%。當(dāng)分液孔在不同位置但孔徑相同時(shí)，結(jié)構(gòu)5的分液效率比結(jié)構(gòu)3提升了2.91%，這是由于結(jié)構(gòu)3的出口支管入口處存在一定的旋渦(圖13)，對(duì)隔板上的液膜形成擾動(dòng)，更多的液滴被夾帶至出口支管處流出。而結(jié)構(gòu)6的分液效率相比結(jié)構(gòu)4提升了0.99%，而漏氣率降低了0.71%，這是由于在結(jié)構(gòu)4中分液孔靠近聯(lián)箱右側(cè)壁面時(shí)受到壁面液膜的沖擊，有更多氣體從分液孔中流出，降低聯(lián)箱氣液分離性能。圖16(c)為結(jié)構(gòu)3～結(jié)構(gòu)6中氣液兩相在分液孔處的慣性力比值。當(dāng)分液孔直徑為0.5 mm和1.0 mm時(shí)，分液孔上方能形成液封，漏氣量為0，因此這兩種結(jié)構(gòu)的慣性力比值為0。當(dāng)分液孔在不同位置但孔徑相同時(shí)，結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)5的N值均小于10，分液孔處受沖擊影響較小。進(jìn)一步增大孔徑至2.0 mm時(shí)，聯(lián)箱上方沉積的液膜高度減小，分液孔處無法形成液封，此時(shí)N值急劇增大，且由于結(jié)構(gòu)4分液孔位置距離壁面液膜沖擊的位置較小，其N值可達(dá)1 513.21×10-5。綜合分液效率和溢出率，在研究工況下結(jié)構(gòu)5的氣液分離性能最好。

圖16 不同聯(lián)箱-小孔型氣液分離器中的氣液分離性能

3 結(jié)論

本文基于VOF多相流模型，對(duì)不同分液孔位置和大小的聯(lián)箱-小孔型氣液分離器內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1)在相同工況下，液相工質(zhì)出口支管的溢出量隨分液孔徑的增大而減小，在隔板上方無法形成穩(wěn)定液封時(shí)分液孔靠右設(shè)置更易受到液相工質(zhì)的沖擊。在高質(zhì)量流量時(shí)可選擇聯(lián)箱右側(cè)設(shè)置分液孔，在低質(zhì)量流量時(shí)應(yīng)將分液孔設(shè)置在遠(yuǎn)離聯(lián)箱右側(cè)壁面的位置。

2)在研究的孔徑(0.5～2.0 mm)范圍內(nèi)，不能形成穩(wěn)定液膜時(shí)，隨分液孔徑增大，隔板上方的壓力均降低。液相工質(zhì)沿壁面下落的沖擊對(duì)分液孔上方的壓力分布均勻性有較大影響。

3)分液孔大小主要影響分液孔排液速率和分液速率，而分液孔位置主要影響分液孔處速度分布和壓力分布。分液隔板在不合理的孔徑大小及位置設(shè)置下易受壁面液膜沖擊，其N值可達(dá)1.51×10-2(結(jié)構(gòu)5)。

4)分液孔孔徑為1.6 mm且分液孔居中時(shí)，聯(lián)箱的分液效率為70.23%，漏氣率為0.14%，氣液分離性能最佳。