波紋壁面上流動液膜渦的生成特性

劉梅，劉秋升，吳正人，王松嶺，宋朝匣

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波紋壁面上流動液膜渦的生成特性

劉梅1,2，劉秋升1，吳正人1，王松嶺1，宋朝匣1

（1華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003；2華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理系，河北保定 071003）

針對液膜在非平整壁面上流動過程中生成渦的現(xiàn)象，基于VOF方法，采用FLUENT軟件模擬了三維波紋壁面上的液膜流動。研究了波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的演化過程，分析入口Reynolds數(shù)、波紋結(jié)構(gòu)、壁面傾角、流體黏度和表面張力對波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隨著時間的演化，渦的大小和形狀不斷變化，最終達(dá)到穩(wěn)定。且渦結(jié)構(gòu)變化對自由液面的波動影響顯著。較低和波形度時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)不易形成渦，隨著和波形度增大，產(chǎn)生渦且渦呈增大趨勢，渦的形態(tài)也隨之改變，自由液面位置升高，其相位滯后于波紋壁面。當(dāng)壁面傾角改變時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦特性變化較大，液膜厚度略有增加，而自由液面相位不明顯。表面張力對渦結(jié)構(gòu)有顯著影響，液膜流動過程中不容忽視。流體黏性改變時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的大小和形狀無明顯的變化。黏度變小和忽略表面張力時，液膜厚度均變薄。以上結(jié)果為工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行和設(shè)計提供了一定參考依據(jù)。

氣液兩相流；波紋壁面；渦結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；影響因素；計算流體力學(xué)

引 言

液膜流動是一種兩相流，其在工業(yè)領(lǐng)域中較為常見，如在化工領(lǐng)域、核科學(xué)、航空航天等傳統(tǒng)工業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域中都有著廣泛應(yīng)用。液膜流動研究的初期，多數(shù)研究集中于平整壁面。隨著工業(yè)應(yīng)用的需要，對于非平整壁面上液膜流動的研究日益增多。由于壁面結(jié)構(gòu)的擾動影響，非平整壁面上液膜流動呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的動力學(xué)現(xiàn)象，如渦的產(chǎn)生、表面波、共振現(xiàn)象等[1-4]。

Zhao等[5]通過實驗得到半圓形、三角形等結(jié)構(gòu)壁面上的液膜流動的流線圖、自由表面位置和速度，以及它們與Nusselt液膜厚度、Reynolds數(shù)和毛細(xì)數(shù)的關(guān)系。Wierschem等[6-8]實驗研究了重力作用下正弦基底上液膜流動，得到了正弦基底上渦的流線圖，發(fā)現(xiàn)臨界液膜厚度與基底的波動程度、傾角及表面張力有關(guān)，而與Reynolds數(shù)無關(guān)，得到了表面波與渦特性的耦合關(guān)系及其隨Reynolds數(shù)的形態(tài)變化規(guī)律。Argyriadi等[9]實驗研究了矩形結(jié)構(gòu)壁面上結(jié)構(gòu)深度和流體物性對表面波穩(wěn)定性的影響。

在理論方面，吳正人等[10]采用小參數(shù)攝動法研究了Reynolds數(shù)、壁面振幅、傾角對正弦波動壁面上液膜流動的表面波演化及穩(wěn)定性的影響規(guī)律。劉梅等[11]研究了非平整不均勻加熱基底上液膜流動的線性穩(wěn)定性，利用長波攝動法推導(dǎo)其表面波的演化方程，得到了Pelect數(shù)、Marangoni數(shù)、傾角等參數(shù)對液膜線性穩(wěn)定性的影響規(guī)律。數(shù)值模擬方面，樸明日等[1,12]利用OpenFOAM對矩形結(jié)構(gòu)壁面上液膜流動進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)表面波相位隨Reynolds數(shù)的增大而改變，由慣性力或矩形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦對自由液面的影響十分顯著。在共振時，Reynolds數(shù)峰值隨矩形結(jié)構(gòu)深度的增加和壁面傾角的減少而增大。Scholle等[13]也指出基底形狀和慣性力是影響渦形成和消失的兩個因素。Tong等[14-15]對三角形結(jié)構(gòu)壁面上的液膜流動進(jìn)行數(shù)值模擬和實驗研究時分析了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，探討了結(jié)構(gòu)振幅、表面張力與共振現(xiàn)象的關(guān)系及三角形結(jié)構(gòu)內(nèi)渦形成的原因，得出結(jié)構(gòu)振幅與共振現(xiàn)象無關(guān)，當(dāng)表面張力較大，Reynolds數(shù)較低時會發(fā)生共振現(xiàn)象。Li等[16]采用OpenFOAM研究并比較了三角形、正弦、矩形結(jié)構(gòu)壁面上液膜自由表面與共振的關(guān)系。Haroun等[17]、李相鵬等[18]對三角形結(jié)構(gòu)壁面上液膜流動的交界面?zhèn)髻|(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行了二維建模，得到了液體流速、壁面結(jié)構(gòu)和渦結(jié)構(gòu)對液膜流動及界面?zhèn)髻|(zhì)的影響機(jī)理。

綜上所述，隨著工業(yè)工程的發(fā)展，非平整壁面上的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。而已有研究對非平整壁面上渦的影響因素分析不夠全面，本文對波紋壁面上的三維液膜流動進(jìn)行模擬分析，探究了波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的產(chǎn)生、發(fā)展和變化過程，以及波紋結(jié)構(gòu)、入口Reynolds數(shù)、表面張力、傾角等因素對波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦特性的影響，為液膜流動在工業(yè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 物理模型與數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

基于液膜流動特點(diǎn)，物理模型的尺寸以及邊界條件的設(shè)置如圖1所示。其中，圖1(b)為沿流動方向選取的截面。由圖可知，波紋板長度為60 mm，寬度為6 mm，計算域高度為10 mm，液相進(jìn)、出口高度均為3 mm，氣相進(jìn)、出口高度為7 mm；壁面與垂直方向的夾角為；波紋壁面振幅為，周期為。模型中有兩個入口和兩個出口，液體從壁面上端流下，氣體則與之相反，并考慮重力對液膜的影響。

1.2 控制方程

本文對液膜在非平整壁面上的非穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行研究，選取非穩(wěn)態(tài)控制方程組對其進(jìn)行描述。

1.2.1 連續(xù)性方程和動量方程

1.2.2 體積分?jǐn)?shù)方程 VOF方法追蹤相界面分布的方程

其中，各相體積分?jǐn)?shù)滿足方程

兩相流中的和可分別表示為

1.2.3 表面張力動量源項 表面張力模型采用CSF（連續(xù)表面力）模型，該模型中表面張力以源項的形式附加到VOF計算中，可表示為

式中，σ為各相間的表面張力系數(shù)；κ為相界面曲率，用自由表面處的單位法向量的散度表示

對于由于表面張力在固液之間產(chǎn)生的壁面黏附力的處理方法為將其并入表面張力動量源項的計算，此時壁面法向量為

1.3 數(shù)值格式及邊界條件

采用FLUENT軟件模擬計算，由于液膜流動時計算域內(nèi)氣相流速不為0，流動屬于近壁流，故選用RNG (renormalization group)模型描述液膜流動過程。時間項和對流項分別采用隱格式和一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散化；壓力項采用PRESTO!方法；壓力-速度耦合方程的求解選用PISO方法；氣液自由界面追蹤選用精度較高的Geo-Reconstruct界面重構(gòu)算法。

邊界條件如圖1(b)所示。兩入口均為速度入口邊界條件，其中氣相進(jìn)口速度設(shè)為0；兩相出口均為壓力出口邊界條件，出口表壓設(shè)為0；波紋板面設(shè)為無滑移邊界條件；計算域的兩個側(cè)面和上邊界設(shè)為對稱邊界；初始時刻假定計算域內(nèi)只有靜止的氣相，即=0，L=0，G=1。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證及CFD計算驗證

網(wǎng)格劃分時，采用正六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，靠近壁面處進(jìn)行加密處理?？紤]網(wǎng)格數(shù)對模擬結(jié)果的影響，在Reynolds數(shù)為850時，對網(wǎng)格數(shù)為3.2×105、3.6×105、4×105、4.3×105、4.8×105、5.2×105個6種情況下的波紋壁面上液膜流動進(jìn)行模擬計算。流動達(dá)到穩(wěn)定后，液膜平均厚度隨著網(wǎng)格數(shù)的增大先減小后保持不變。網(wǎng)格數(shù)大于4.3×105個后，液膜平均厚度相同，此時液膜厚度與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)。同時考慮計算時間與精度的情況下，選取網(wǎng)格數(shù)4.3×105個進(jìn)行模擬計算。

為了保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和方案的可行性，按文獻(xiàn)[4]所做實驗條件和數(shù)據(jù)對半圓形凹槽表面的液膜流動進(jìn)行模擬計算。模擬采用甘油和水的混合物，物性參數(shù)見表1。

表1 甘油-水溶液物性參數(shù)

自由液面的振幅、相位以及自由液面的波動程度在很大程度上表征自由液面的特征?？赏ㄟ^自由液面對數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。圖2為模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的自由液面的形態(tài)進(jìn)行對比。可以看出，兩者的自由液面位置和波動程度相差不大，且趨勢一致，各點(diǎn)偏差的絕對值均在10%以內(nèi)。由此可證明模擬方案的正確性和可行性。

2 模擬結(jié)果及分析

傾斜波紋壁面上的液膜流動充分發(fā)展后，入口處波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體運(yùn)動達(dá)到穩(wěn)定，研究時選取臨近入口的一個波長進(jìn)行分析。液膜流動的流線可以很好地揭示渦的形成，因此選用流線圖分析渦特性。

2.1 渦隨時間的演化過程

穩(wěn)定的流動結(jié)構(gòu)對于液膜的流動特性有著深刻的影響。因此研究液膜流動過程中不同時刻波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的發(fā)展、演化過程具有重要意義。

圖3為入口Reynolds數(shù)為700時波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的演化過程。在0.001 s時，液體剛進(jìn)入流動區(qū)域的邊界，尚未對流動區(qū)域造成影響，無氣體渦形成，如圖3(a)所示。隨著時間的演化，液膜逐漸臨近波紋結(jié)構(gòu)，對波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣體擾動逐漸增強(qiáng)，氣體渦不斷增大。在0.061 s時氣體渦的大小達(dá)到最大，如圖3(d)所示。隨后，液膜逐漸覆蓋該波紋結(jié)構(gòu)，覆蓋過程中，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)氣體流速加大，氣體渦逐漸減少。到達(dá)0.097 s時，液膜已經(jīng)流過此波紋結(jié)構(gòu)，氣體被封存在波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成一個較大較規(guī)則的氣體渦，此時波紋結(jié)構(gòu)上已形成自由液面，其氣液分布云圖如圖4(a)所示。液膜繼續(xù)沿壁面向下流動，到達(dá)0.135 s時，液體已經(jīng)開始回流到波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)，液體渦的形態(tài)尚不規(guī)則，0.139 s時液體渦已經(jīng)形成，且受液體渦的影響，氣體渦變小，液體渦變大，氣液分布云圖如圖4(b)所示。到0.21 s時，氣體渦和液體渦已經(jīng)獨(dú)立存在，附近有小的氣體渦形成，如圖3(j)所示。表明此時由于重力作用、壓力差的出現(xiàn)，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的湍動程度加大。由圖3(e)～(h)可知，當(dāng)渦結(jié)構(gòu)顯著變化時，自由液面波動顯著。當(dāng)渦結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定時，自由液面波動較小，如圖3(h)～(j)所示。文獻(xiàn)[7]也通過實驗指出表面波的存在影響渦結(jié)構(gòu)。

2.2 不同因素對渦結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 入口的影響 流速是液膜流動中最重要的參數(shù)之一，它不僅影響液膜的厚度、自由液面的波動程度，還對非平整壁面結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的大小和形狀產(chǎn)生很大的影響。在流體力學(xué)中，Reynolds數(shù)表征的是慣性力和黏性力之比。當(dāng)流體的物性和壁面結(jié)構(gòu)確定后，Reynolds數(shù)的大小可由流速大小確定。因此研究不同Reynolds數(shù)下波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的特性是必要的。

本文液膜流動的Reynolds數(shù)定義如下

式中，inlet為液體入口流速；hyd為特征長度，定義如下

式中，為波紋壁面的寬度；為入口處的液膜厚度。

圖5為Reynolds數(shù)300～850范圍內(nèi)波紋壁面上渦結(jié)構(gòu)。當(dāng)=300時，在波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)沒有渦存在，說明在較低Reynolds數(shù)條件下，壁面上的流體不受波紋結(jié)構(gòu)的阻滯，不易形成渦，波紋結(jié)構(gòu)對流動無影響，液膜厚度較薄。隨著Reynolds數(shù)的增大，流體流速增大，慣性力增大，流體湍動程度增強(qiáng)，在波紋結(jié)構(gòu)兩側(cè)的逆向壓差增大，導(dǎo)致渦的產(chǎn)生，且渦的大小呈現(xiàn)增大的趨勢，形狀也發(fā)生變化，如圖5(e)中氣液渦共存現(xiàn)象。Tong等[14]在對三角形結(jié)構(gòu)壁面上液膜流動研究時提出，渦通過兩種途徑產(chǎn)生：當(dāng)Reynolds數(shù)很低時，三角形結(jié)構(gòu)影響占主導(dǎo)因素，渦的產(chǎn)生由壁面結(jié)構(gòu)引起；隨著Reynolds數(shù)的增大，渦的產(chǎn)生和變化主要受流體動力學(xué)效應(yīng)影響。因此，圖5中渦的產(chǎn)生和變化由流體動力學(xué)效應(yīng)造成。

由圖5可看出，在為300、500、590時，自由液面和壁面之間幾乎不存在相位差，3種情況下液膜厚度幾乎一致。=650時，自由液面與壁面產(chǎn)生一定的相位差。當(dāng)為700、850時，渦顯著增大，自由液面和壁面之間出現(xiàn)較大相位差，且自由液面相位滯后。尤其當(dāng)=700時較為特殊，由圖3可知，此時在波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)氣體渦和液體渦共存，致使自由液面高度在此波紋結(jié)構(gòu)處達(dá)到最大。因此可通過改變Reynolds數(shù)控制渦的大小和形態(tài)。

2.2.2 波紋壁面結(jié)構(gòu)的影響 為研究波紋結(jié)構(gòu)對渦的影響，綜合考慮振幅和波長，定義波紋結(jié)構(gòu)的振幅與波長之比為波形度，即

=/(12)

式中，為量綱1量；和分別為波紋結(jié)構(gòu)振幅和波長。

圖6、圖7分別為Reynolds數(shù)為850時波紋結(jié)構(gòu)壁面上的液膜流動流線圖。波紋壁面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 不同波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)

由圖6(a)和圖7(a)可知，當(dāng)波形度較小時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)沒有渦產(chǎn)生。隨著波形度的增大，在流場內(nèi)部開始出現(xiàn)流動分離并產(chǎn)生渦，如圖6(b)和圖7(b)所示。若波形度進(jìn)一步增大，波谷內(nèi)的渦也隨之增大，形狀越不規(guī)則，渦的增大使流場的平均流速下降。對于波形度較大的壁面上的液膜流動，波形度對液膜的流動特性的影響起著決定性的作用。Tong等[14]研究得到了相似的液膜流動特性，其研究結(jié)果表明，三角形結(jié)構(gòu)底部溝槽角度達(dá)到60°時，即使入口Reynolds數(shù)趨近于零，三角形結(jié)構(gòu)內(nèi)仍然會有渦生成，即此時Reynolds數(shù)的范圍已經(jīng)對渦生成的影響較小，其主要受壁面結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合圖5分析，波形度和都是影響渦特性關(guān)鍵因素。

由以上分析可知，壁面結(jié)構(gòu)對渦特性有顯著影響，而渦特性的變化反映自由液面的波動程度，即自由液面的波動程度和壁面結(jié)構(gòu)有關(guān)。由圖6、圖7可知，波形度越大，渦越大，自由液面相位與壁面相位差也越大。而Argyriadi等[9]對矩形結(jié)構(gòu)壁面上液膜流動的研究結(jié)果中表明，自由液面的波動程度與壁面結(jié)構(gòu)無關(guān)。這可能是由于基底不同，對自由液面產(chǎn)生了不同的影響。

波谷處渦的形成與壁面壓力密切相關(guān)。以壁面f為研究對象，分析壁面壓力與渦形成的關(guān)系，如圖8所示?？梢钥闯?，在波紋結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面壓力迅速升高，在接近波峰頂點(diǎn)位置處壁面壓力達(dá)到最大值，隨后又迅速下降，并在波紋結(jié)構(gòu)的背風(fēng)面區(qū)域出現(xiàn)了低壓區(qū)，壓力產(chǎn)生波動。此后流體流向下一個波紋結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面，壓力又迅速升高，在接下來的波紋結(jié)構(gòu)中依次循環(huán)。這說明流體是在逆向壓力梯度的作用下流動，波谷處的流體由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動，從而形成渦。

2.2.3 壁面傾角的影響 波紋壁面傾角為壁面與垂直方向的夾角。壁面傾角的變化勢必對液膜流動特性產(chǎn)生影響。圖9為壁面f在=850，傾角為30°、45°、60° 3種情況下的渦結(jié)構(gòu)和氣液分布圖。當(dāng)傾角為30°時，重力沿壁面傾斜方向的分量較大，有大量氣體被封存在波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦跨度較大。隨著傾角增大，黏性力不變，重力作用減弱，被封存氣體逐漸減少，氣體渦變小。由圖可知，當(dāng)壁面傾角發(fā)生變化時，波紋壁面上的渦結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，而自由液面的相位變化不明顯，液膜厚度略有增加。

2.2.4 液體黏度的影響 流體黏度是非平整壁面上液膜流動的影響因素之一。已有研究中，多數(shù)學(xué)者通過不同流體來比較黏度對流動的影響。本文利用不同溫度下的水黏度不同、表面張力差別微小的特點(diǎn)來比較黏性的影響。水在3種溫度下物性參數(shù)見表3。

表3 水的物性參數(shù)

圖10為水在10、23、35℃ 3種溫度下波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦特性。隨著溫度升高，水的黏度變小。在3種溫度下，雖然流體黏度依次變小，但波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的大小和形狀沒有呈現(xiàn)明顯的變化。此外，由于渦結(jié)構(gòu)基本不變，導(dǎo)致液膜自由液面的相位幾乎保持一致，即液膜在壁面上的渦結(jié)構(gòu)不受黏度變化的影響。對比圖中自由液面位置可知，液膜厚度略有降低。因此，在實際工程實踐中可以通過加溫降低流體黏度，從而降低液膜厚度，減小液膜側(cè)的熱阻，增大傳熱系數(shù)。

2.2.5 表面張力的影響 固液之間由于表面張力而產(chǎn)生的力稱為壁面黏附力。Tong等[15]、Shetty等[19]在模擬分析時忽略了表面張力，而谷芳等[20]在研究二維傾斜波紋板上液膜流動時認(rèn)為表面張力至關(guān)重要。

水是一種極性分子，具有較大的表面張力。圖11(a)、(b)為水在考慮表面張力和不考慮表面張力兩種情況下波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦特性。當(dāng)考慮表面張力時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)有一個較大、較規(guī)則的渦。忽略表面張力時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了若干個不規(guī)則的渦，此時流動紊亂程度增強(qiáng)。圖11(c)、(d)為乙醇在考慮表面張力和不考慮表面張力時波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦特性。與水的結(jié)果類似，乙醇在忽略表面張力時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)同樣有不對稱的渦出現(xiàn)，考慮表面張力時有一個較規(guī)則的渦。由于乙醇的表面張力和密度均小于水，故同樣條件下形成的渦較小。此外，忽略表面張力時，水和乙醇的液膜自由表面相位和波紋壁面基本一致，液膜厚度較考慮表面張力明顯變小。液膜厚度與液膜相位的變化會引起壁面剪應(yīng)力大小和位置的改變，這一改變同樣能反映出渦的大小和位置。

以上結(jié)果表明，表面張力對于液膜流動至關(guān)重要。模擬時是否考慮表面張力將會影響整個流場的流動結(jié)構(gòu)。Tong等[15]研究指出表面張力影響液膜厚度，由圖11(b)、(d)可知，表面張力對自由液面相位、渦結(jié)構(gòu)也有顯著影響。Tong等[14]、Shetty等[19]在擾動模型中忽略了表面張力，這會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，是不合理的。

3 結(jié) 論

液膜流動廣泛存在于工業(yè)領(lǐng)域，預(yù)測和深入了解液膜的流動特性對工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。本文采用FLUENT軟件模擬了三維傾斜波紋壁面上液膜流動過程，研究了波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)隨時間的演化過程，分析探究了、波紋結(jié)構(gòu)、壁面傾斜角度、流體黏度和表面張力等因素對波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦特性的影響，得到如下結(jié)論。

（1）隨著時間的演化，渦形態(tài)的變化對自由液面的波動有顯著影響。

（2）較低Reynolds數(shù)時，波紋結(jié)構(gòu)對流體無阻滯作用，不易形成渦。隨著Reynolds數(shù)的增大，渦產(chǎn)生且呈增大趨勢，形態(tài)不斷變化。波紋壁面上自由液面位置升高，且其相位滯后于波紋壁面。波形度是影響波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的大小和形態(tài)的關(guān)鍵因素。隨波形度增大，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦增大且愈加不規(guī)則。可通過改變波形度和Reynolds數(shù)控制渦的形態(tài)。

（3）波紋壁面傾斜角度改變時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦特性發(fā)生很大變化，液膜厚度略有增加，而自由液面的相位變化不明顯。

（4）流體黏性改變時，波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)渦的大小和形狀沒有明顯的變化。而表面張力則對渦結(jié)構(gòu)有顯著影響，液膜流動過程中不容忽視。但黏度變小和忽略表面張力時，液膜厚度均變薄。

（5）壁面結(jié)構(gòu)、Reynolds數(shù)、壁面傾角對液膜流動封氣均有重要影響。

符 號 說 明

F——源項 g——重力加速度，m·s?2 p——壓強(qiáng)，Pa T——溫度，℃ Uinlet——流體入口速度，m·s?1 u——速度矢量，m·s?1 αq——第q相的體積分?jǐn)?shù) δ——液膜厚度，m θ——表面張力與壁面夾角 κ——相界面曲率，m?1 μ——流體黏度，Pa·s n——流體運(yùn)動黏度，m2·s?1 ρ——流體密度，kg·m?3 σij——各相間的表面張力系數(shù)，N·m?1 下角標(biāo) G——?dú)庀?L——液相 q——多相流中的第q相 VOL——表面張力項

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Vortex formation characteristics of flow liquid film on corrugated plate

LIU Mei1,2, LIU Qiusheng1, WU Zhengren1, WANG Songling1, SONG Zhaoxia1

(1School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei, China;2Department of Economic Management, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei, China)

The liquid film flow on the corrugated plate is common in the industrial field. But the characteristics of liquid film flow on the corrugated plate are pretty complicated. Thus, based on the VOF method, the vortex characteristics of the three-dimensional liquid film flow on the inclined corrugated plate are simulated by using FLUENT software. The evolution of vortex structure with time is studied, and the influence of inlet Reynolds number, waviness, wall inclined angle, fluid viscosity and surface tension on the vortex structure in corrugated plate structure is investigated. The results show that the size and shape of vortex are constantly changing with the time evolution and ultimately achieve stability. The change of vortex structure has significant influence on the fluctuation of free surface. With smallerand waviness, the vortex is not easy to form in the corrugated structure. With the increase ofand waviness, the vortex is produced and its size is increasing, and the morphology of the vortex is changed. Meanwhile, the position of the free surface is increased and there is a phase lag compared with the wave wall. When the wall inclination angle is altered, the vortex characteristics in the corrugated structure change greatly. But the phase of the free surface and the thickness of the liquid film vary slightly. Surface tension has a significant effect on the vortex structure, and it cannot be ignored in the numerical simulation of liquid film flow. Nevertheless, when the fluid viscosity is changed, there is no significant change in the size and shape of the vortex in the corrugated structure. But if the viscosity is small and the surface tension is neglected, the thickness of the liquid film becomes thin.These conclusions are very important to predict and understand the characteristics of liquid film flow in industrial field.

gas-liquid flow; corrugated plate; vortex structure; numerical simulation; influence factors; CFD

2016-04-29.

WU Zhengren, zhengren_wu@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20160571

TQ 021.1

A

0438—1157（2016）10—4135—11

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金項目（20110036110009）；河北省自然科學(xué)基金項目（E2016502088）。

2016-04-29收到初稿，2016-07-08收到修改稿。

聯(lián)系人：吳正人。第一作者：劉梅（1977—），女，講師，博士研究生。

supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20110036110009) and the Natural Science Foundation of Hebei Province (E2016502088).