液氮過冷沸騰空泡份額分布規(guī)律的研究
發(fā)布于：02-11
王斯民?厲彥忠?文?鍵?蒲?亮
(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院動力工程多相流國家重點實驗室?陜西西安?710049)
摘要：為了分析低溫流體在過冷沸騰中的相分布特性，對液氮在豎直圓管內(nèi)的過冷沸騰過程進行了CFD數(shù)值模擬。通過修正氣泡參量模型和改變過程的操作參數(shù)，系統(tǒng)地分析了空泡份額在加熱上升管內(nèi)的分布情況。結(jié)果表明，氣液相間的熱質(zhì)傳遞決定著空泡份額的分布，截面平均空泡份額沿軸向非線性遞增，沿徑向呈U形分布。軸向截面平均空泡份額隨著熱流密度的增大而增大，隨著入口質(zhì)量流率和過冷度的增大而減小。
關(guān)鍵詞：空泡份額?過冷沸騰?液氮?二相流
過冷沸騰是液氮、液氧等低溫流體在輸送過程中一類易發(fā)的物理現(xiàn)象，隨著低溫流體在國防、航天以及空間技術(shù)等高科技領(lǐng)域應(yīng)用的深入，其過程特性越來越引起人們的關(guān)注。空泡份額作為其中重要的物理參數(shù)直接影響管內(nèi)流體的流動與傳熱。伴隨著氣泡的出現(xiàn)，管內(nèi)流體進入氣液二相流動狀態(tài)。此時沸騰傳熱部分的加入提高了管道整體的換熱能力，但是管內(nèi)不斷變化的含氣率將會促發(fā)流體流動振蕩，使得設(shè)備可操控性下降，加劇了系統(tǒng)整體的不穩(wěn)定性。因此，掌握二相流動中的相分布特性，對于管路系統(tǒng)的設(shè)計有重要意義。
隨著計算機技術(shù)、數(shù)值方法和多相流理論的發(fā)展，多相流空間求解成為可能，許多學(xué)者應(yīng)用CFD技術(shù)來研究過冷沸騰過程。Li等和Tu等以二流體模型為基礎(chǔ)，分別對方腔和圓管內(nèi)的流動過冷沸騰過程進行了研究。王小軍等采用CFX，考慮界面力及氣泡誘導(dǎo)紊流對模型的影響，模擬了豎直管內(nèi)過冷沸騰過程。值得指出，上述的研究均以水為工質(zhì)，所做工作僅局限于計算模型的考證上，沒有對空泡份額展開規(guī)律性的深入研究。本文以二流體模型為基礎(chǔ)，結(jié)合過冷沸騰模型，對液氮在豎直圓管內(nèi)的過冷沸騰過程進行模擬，得到空泡份額在徑向、軸向的分布規(guī)律；同時就工況參數(shù)的變化對管內(nèi)截面平均空泡份額的影響進行了探討。
l?數(shù)學(xué)模型
1.1?二流體模型
二流體模型假設(shè)流場中的氣液二相為相互貫穿的連續(xù)介質(zhì)，建立并求解二相各自的質(zhì)量、動量及能量守恒方程；氣液二相通過相界面的質(zhì)量、動量及能量的交換將由相間傳輸項來實現(xiàn)。對于過冷沸騰泡狀流的汁算，液相被作為連續(xù)相，氣相作為離散相。二流體模型的通用形式為
（αkρkφk）+▽·[αk（ρkUkφk-Γk▽φk）]=?αkSk+ckj（φj-φk）+（qjkφj-qjkφk）(1)
式中：α、ρ、U、Γ和S分別代表空泡份額、密度、速度矢量、湍流擴散率和源項；ckj（φj-φk）表示物理量φ在二相間的傳遞；qjk為從j相到k相的質(zhì)量流率；（qjkφj-qjkφk）為由于質(zhì)量傳遞而引起變量φ的相間傳遞。應(yīng)用二流體模型模擬過冷沸騰過程時，質(zhì)量方程中的qkj-qjk≠0（φ=1）。為使二流體模型能夠封閉求解，氣液二相間的質(zhì)量傳遞計算將由過冷沸騰模型完成。
1.2?過冷沸騰模型
在過冷沸騰過程中，壁面熱流按“用途”可分為3部分：壁面蒸發(fā)熱流Qe、壁面瞬時非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱Qq和單相流體與壁面間的對流熱流Qc,式中：dBW、ρg、f、ρn、hLg分別為氣泡脫離直徑、氣相密度、氣泡脫離頻率、汽化核心密度和汽化潛熱。
1.3?氣泡參量的修正模型
在上述3部分熱流計算模型中包含有氣泡參量部分，由于現(xiàn)有的氣泡參量模型大部分是以水為工質(zhì)得到的，而此次的研究對象是低溫液氮。物性的差異將對氣泡參量的計算帶來很大的影響，所以需要對氣泡參量模型進行修正。通過理論分析及計算驗證，對本次計算中所涉及的氣泡脫離直徑、氣泡脫離頻率和汽化核心密度進行了修正，各模型的具體形式如下：
氣泡脫離直徑：,θ=13°??（6）
式中：σ和θ分別表示表面張力和接觸角。
氣泡脫離頻率：，A=2.32??（7）
汽化核心密度：QW為壁面熱流密度。
2?模型求解方案
采用有限容積法離散控制方程，對壓力修正方程和體積份額的計算采用代數(shù)多網(wǎng)格法加速收斂，其余求解均采用全場Stone方法；速度-壓力耦合計算由SIMPLE完成，相間傳輸項耦合采用改進的相間滑移算法(IPSA-C)。由于物理模型是豎直圓管內(nèi)均勻受熱的流動過程，幾何模型具有對稱性，故可以選擇圓管的1/4部分作為計算區(qū)域。壁面處氣相設(shè)為滑移邊界，液相在邊界層內(nèi)速度滿足對數(shù)分布。相間拽力采用Ishii?Zuber模型，相間傳熱采用Ianz?Marshall關(guān)系式。當(dāng)連續(xù)性方程的殘差小于0.1％時，可認(rèn)為計算收斂并退出程序。
3?過冷沸騰段的確定
模擬豎直圓管內(nèi)液氮過冷沸騰過程，選用Klimenko等的沸騰實驗為目標(biāo)對象。Klimenko的實驗件為鎳鎘合金光管，內(nèi)徑10mm、壁厚1mm、長1.85m，垂直放置，沿管壁均勻加熱，液氮自下向上流動。選取0.7MPa下的實驗數(shù)據(jù)作為模擬的計算對象。由于Klimenko的實驗以研究飽和沸騰傳熱為目的，液氮以過冷狀態(tài)進入管道，在出口(1.85m處)以飽和狀態(tài)流出。此次研究的重點是過冷沸騰過程，將利用實驗管段過冷流動區(qū)的實驗數(shù)據(jù)來驗證模擬計算的準(zhǔn)確性，因此需要計算確定不同工況下實驗件過冷沸騰段的實際長度。
按熱力學(xué)理論，從流體入口到飽和沸騰起始點之前的管長作為過冷沸騰區(qū)段，不同工況下過冷沸騰段的長度是不同的。由能量守恒方程可以求解出過冷沸騰段的長度：q、h0、?、?、D和L分別表示質(zhì)量流量、入口過冷液比焓、飽和點液相比焓、飽和點氣相比焓、氣相質(zhì)量份額管周長和加熱段長度。當(dāng)x=0時，L為入口到飽和沸騰起始點的距離即過冷沸騰段長度。選取Klimenko實驗中過冷沸騰段內(nèi)有足夠?qū)嶒烖c的工況作為模擬工況，見表1。
表1?模擬工況的物理邊界條件
工況
壓力/MPa
質(zhì)量流率/
（kg·m-2·s-1）
壁面熱流/
（W·m-2）
過冷段長度/m
|
1
0.7
310
13750
1.23
|
2
0.7
310
17530
0.96
|
3
0.7
330
20980
0.86
|
4?計算結(jié)果及分析
4.1?模型驗證
Klimenko的實驗結(jié)果以傳熱系數(shù)的形式給出，圖1為0.7MPa下傳熱系數(shù)的實驗值與計算值的比較。從圖1中可以看出，數(shù)值模擬的結(jié)果是比較滿意的，計算誤差可控制在10％左右。在相同入口壓力下，高熱流密度工況(如工況3)的傳熱系數(shù)比低熱流密度工況(如工況l)大。這是因為在相同操作壓力下，高熱通量會使壁面產(chǎn)生更多的氣泡。隨著氣泡脫離壁面進入主流體區(qū)，其自身被冷凝而加熱流體。這種流體區(qū)內(nèi)的相變換熱大大高于單相對流換熱，因此增強了傳熱效果。
圖l?入口壓力為0.7MPa時沸騰傳熱系數(shù)的計算值與實驗值比較
4.2?空泡份額軸向、徑向分布規(guī)律
圖2為液氮在過冷沸騰段內(nèi)(工況1)的截面平均空泡份額軸向分布曲線。在軸向，截面平均空泡份額呈非線性分布，曲線線型呈上凹狀，這與魯鍾琪等文中“過冷區(qū)內(nèi)，空泡份額對軸向位置的二階偏導(dǎo)數(shù)大于零，曲線上凹”的理論分析一致。沿流動方向，管內(nèi)截面平均空泡份額在開始的一段距離內(nèi)為0，隨后緩慢上升，最后急劇陡增。造成這一變化規(guī)律的主要原因是管內(nèi)氣泡的產(chǎn)生及運動模式的變化。按流體流動、傳熱狀態(tài)、過冷沸騰區(qū)段可分為3部分：單相流體區(qū)、高過冷區(qū)和低過冷區(qū)。初始單相段內(nèi)，沒有氣泡生成，故截面平均空泡份額為0。在高過冷區(qū)，氣泡在壁面生成、長大，但仍黏附壁面而不脫離，或沿壁面略有滑動，此時空泡份額曲線可視為線性增長。進入低過冷區(qū)后，氣泡開始脫離壁面，進入主流體區(qū)后被過冷流體冷凝、縮滅。隨著熱量的持續(xù)加入，氣泡不斷的產(chǎn)生、脫離，此時流體過冷度降低，氣泡凝結(jié)速度下降，從而使管內(nèi)的空泡份額急劇增加。
圖2?截面平均空泡份額沿軸向變化曲線(工況1)
圖3為管內(nèi)液氮空泡份額的徑向分布等值線圖，r=0為中心軸線位置。由圖中可以看出，空泡份額沿徑向分布很不均勻，隨著r的增加，空泡份額不斷上升，在整個直徑上呈U形分布。參考有關(guān)氣泡運動及傳熱理論，熱質(zhì)傳遞和氣泡的動力學(xué)特性是管內(nèi)液氮空泡份額形成徑向不均勻分布的主要原因。在過冷沸騰初始階段，主流體過冷度較高；由壁面產(chǎn)生的氣泡還未進入管道中心主流區(qū)便被冷凝，其自身消滅，此時空泡份額隨r的減小不斷減小直至為O。隨著管內(nèi)流體過冷度的減小，雖然主流體對壁面產(chǎn)生的氣泡仍然有冷凝作用，但冷凝速率減慢，一些氣泡最終可以到達管道中心區(qū)并隨流體向上運動，此時中心區(qū)會有少量氣泡存在。在氣液二相進行熱質(zhì)傳遞的同時，氣泡的動力學(xué)特性也將影響著空泡份額的分布。氣泡徑向運動的動力學(xué)特性主要表現(xiàn)為Ber"2">摘自09年2期《化學(xué)工程》
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