船用降膜吸收器液膜波動(dòng)特性數(shù)值分析

高洪濤，赫明月

船用降膜吸收器液膜波動(dòng)特性數(shù)值分析

高洪濤，赫明月

應(yīng)用CFD方法對(duì)搖擺狀態(tài)下的豎直管內(nèi)降膜吸收流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析和討論了不同搖擺周期和搖擺幅度的搖擺狀態(tài)下液膜傳熱系數(shù)、液膜界面波動(dòng)幅度的變化規(guī)律，以及劇烈搖擺對(duì)液膜流動(dòng)的影響。結(jié)果表明：相較于靜止?fàn)顟B(tài)，搖擺狀態(tài)下液膜波動(dòng)更加劇烈。液膜波動(dòng)的增大會(huì)促進(jìn)氣液間的熱、質(zhì)傳遞，有利于降膜吸收。但是，劇烈的搖擺會(huì)使液膜發(fā)生分離和脫落，阻礙降膜吸收的進(jìn)行。

降膜;搖擺;吸收制冷;波動(dòng);數(shù)值模擬

在船舶上，特別是船用柴油機(jī)的排氣和冷卻水中有大量的余熱[1]，而吸收式制冷是一種非常有效回收和利用低品位熱能的重要技術(shù)[2]。利用吸收式制冷技術(shù)來(lái)回收和利用船舶余熱[3-4]，可以達(dá)到節(jié)約船舶的燃料消耗，降低船舶污染物排放的目的。

用吸收式制冷替代壓縮式制冷來(lái)驅(qū)動(dòng)船舶空調(diào)在經(jīng)濟(jì)性方面十分突出[5]，并已有學(xué)者做了初步的船用吸收式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]。但是到目前為止，吸收式制冷尚未在船舶上應(yīng)用，這是因?yàn)榇霸诤Ｑ笾泻叫袝r(shí)的振動(dòng)、搖擺等運(yùn)動(dòng)[7]，會(huì)對(duì)吸收式制冷的降膜吸收有很大影響。

相對(duì)于振動(dòng)對(duì)吸收式制冷降膜的影響[8-9]，搖擺對(duì)吸收式制冷降膜的影響更大，但幾乎沒(méi)見(jiàn)到這方面公開(kāi)發(fā)表的研究文獻(xiàn)。因此有必要進(jìn)行搖擺狀態(tài)對(duì)降膜特性影響的研究，也為吸收式制冷在船舶上的推廣提供理論支持。為此，采用CFD方法，對(duì)搖擺狀態(tài)下的降膜特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 搖擺周期和搖擺幅度的選取

船舶在海洋條件下航行，主要包括升沉、首尾搖、搖擺(包括橫搖和縱搖)、橫蕩、縱蕩等運(yùn)動(dòng)形式，其中搖擺對(duì)吸收式制冷的影響最大。

就垂直管內(nèi)降膜吸收而言，縱搖與橫搖并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。在實(shí)際的海況中，船舶的搖擺周期不超過(guò)15 s，縱搖幅度不超過(guò)7°，橫搖幅度不超過(guò)15°[10]。本文搖擺周期選擇了4 s、8 s和12 s，搖擺幅度選擇6°、10°和14°。

2 數(shù)值計(jì)算物理模型

圖1為管內(nèi)降膜的物理模型：溴化鋰濃溶液從入口進(jìn)入并沿管壁流動(dòng)，同時(shí)5℃的水蒸氣從蒸汽入口進(jìn)入到吸收管內(nèi)，為溴化鋰溶液所吸收，吸收過(guò)程伴有放熱，其熱量被管外逆流的冷卻水所帶走。

二維的情況下，吸收管為軸對(duì)稱(chēng)。當(dāng)模擬搖擺時(shí)，吸收管以軸線(xiàn)為基準(zhǔn)，完成周期性的左右搖擺。數(shù)值模擬的操作條件見(jiàn)表1。

2 模擬的結(jié)果與分析

2.1 搖擺對(duì)降膜吸收傳熱系數(shù)的影響

圖2所示的是靜止?fàn)顟B(tài)和搖擺幅度為6°、10°和14°，以及搖擺周期為4 s、8 s、12 s和16 s的搖擺狀態(tài)時(shí)液膜傳熱系數(shù)的變化情況。

表1 數(shù)值模擬的操作條件

從圖2中可以看出，在本研究范圍內(nèi)，搖擺周期越大液膜的傳熱系數(shù)越高；搖擺幅度越大，液膜的傳熱系數(shù)越低。分析其原因、小的搖擺周期和大的搖擺幅度，意味著搖擺的劇烈。而過(guò)于劇烈的搖擺會(huì)使得液膜變得更加薄厚不均，甚至發(fā)生分離和脫落，熱量傳遞變差。

從圖中還可以發(fā)現(xiàn)：在搖擺狀態(tài)下，搖擺幅度為6°，搖擺周期為12 s、16 s時(shí)，液膜的平均傳熱系數(shù)的值要比靜止?fàn)顟B(tài)的值大。這說(shuō)明搖擺狀態(tài)對(duì)液膜熱量傳遞的影響并非都是不利的。大周期，小幅度的搖擺還會(huì)促進(jìn)液膜熱傳遞的進(jìn)行。這與文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，也驗(yàn)證了本模型模擬合理性。

2.2 搖擺狀態(tài)對(duì)液膜界面波動(dòng)的影響

搖擺狀態(tài)下，液膜受到搖擺引起的附加慣性力的影響，其液膜波動(dòng)更加劇烈，液膜的波動(dòng)幅度(見(jiàn)圖3)會(huì)增大。而液膜的波動(dòng)幅度的增大會(huì)增加液膜和蒸汽的接觸面積，有利于氣液間的傳熱、傳質(zhì)。

為方便研究，定義液膜相對(duì)波動(dòng)幅度為搖擺時(shí)的液膜波動(dòng)幅度和靜止時(shí)的液膜波動(dòng)幅度的比值。圖4為相同管內(nèi)位置的液膜在靜止?fàn)顟B(tài)和搖擺狀態(tài)下的變化情況對(duì)比圖。搖擺狀態(tài)為當(dāng)搖擺周期為4 s、搖擺幅度為10°、吸收管搖擺到7°時(shí)的管內(nèi)液膜變化情況。

由圖4可見(jiàn)，搖擺狀態(tài)對(duì)液膜有很大的影響。主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：①液膜的厚度有所增加，這是因?yàn)閾u擺使得液膜的速度降低，這樣就增加了液膜在吸收器內(nèi)的停留時(shí)間，溶液進(jìn)口流量不變的情況下膜厚有所增加；②液膜波動(dòng)的變化，波長(zhǎng)有所增長(zhǎng)，波幅增大。分析其原因，是因?yàn)閾u擺狀態(tài)給液膜帶來(lái)一個(gè)附加的慣性力，致使液膜的波動(dòng)發(fā)生了變化。

搖擺周期和搖擺幅度對(duì)液膜波動(dòng)幅度影響如圖5所示。圖中給出了3種搖擺周期(4 s、8 s和12 s)和3種搖擺幅度(6°、10°和14°)時(shí)液膜波動(dòng)幅度的變化情況。由圖5可見(jiàn)，相同搖擺周期時(shí)，隨著搖擺幅度的增加，液膜的波動(dòng)幅度在不斷增大。而相同搖擺幅度時(shí)，隨著搖擺周期的增大，液膜的波動(dòng)幅度逐漸降低。

2.3 劇烈搖擺對(duì)液膜流動(dòng)的影響

圖6為靜止和劇烈搖擺(搖擺周期為4 s，搖擺幅度為14°)時(shí)液膜厚度沿壁面的變化。由圖6可見(jiàn)，從進(jìn)口位置到50 mm處，靜止和劇烈搖擺時(shí)的液膜表面均開(kāi)始出現(xiàn)小的波動(dòng)，不過(guò)搖擺時(shí)的液膜波動(dòng)幅度略大于靜止時(shí)。而在流動(dòng)到50～100 mm處，劇烈搖擺時(shí)的液膜表面波動(dòng)幅度繼續(xù)增大，已經(jīng)明顯高于靜止時(shí)的液膜波動(dòng)幅度。在流動(dòng)到100～150 mm處時(shí)，劇烈搖擺時(shí)的液膜表面波動(dòng)振幅急劇增大，此時(shí)液膜發(fā)生了分離和脫落的情況(如圖7所示)。

從上述液膜流動(dòng)過(guò)程可以看出：液膜在沿壁面流動(dòng)的過(guò)程中，本身受外界擾動(dòng)因素的影響，液膜的表面會(huì)出現(xiàn)小幅的波動(dòng)。隨著液膜在重力作用下繼續(xù)向下流動(dòng)，在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，液膜的波動(dòng)幅度雖然也有所增加，但會(huì)逐漸變得比較穩(wěn)定；而在劇烈搖擺狀態(tài)時(shí)，液膜受到搖擺慣性力的作用，其波動(dòng)幅度越來(lái)越大，當(dāng)波動(dòng)達(dá)到一定程度后，液膜出現(xiàn)了分離和脫落的情況。液膜的分離和脫落對(duì)降膜吸收是十分不利的，會(huì)大大降低吸收效果。

3 結(jié)論

1)搖擺的劇烈程度直接影響液膜的傳熱系數(shù)。大的搖擺周期和小的搖擺幅度的搖擺運(yùn)動(dòng)會(huì)促進(jìn)液膜的熱量傳遞；而小搖擺周期和大的搖擺幅度則會(huì)不利于傳熱。

2)搖擺會(huì)造成液膜界面波動(dòng)的增強(qiáng)，而且相同搖擺周期時(shí)，搖擺幅度越大界面波動(dòng)也越大。

3)劇烈的搖擺會(huì)破壞液膜的穩(wěn)定性，使得液膜出現(xiàn)分離和脫落的情況。這會(huì)對(duì)降膜吸收產(chǎn)生很不利的影響，所以應(yīng)當(dāng)盡量避免和防止這種情況的發(fā)生。

4)對(duì)搖擺狀態(tài)下降膜吸收特性的研究，有助于吸收式制冷在船舶上的推廣，所建立的搖擺狀態(tài)下降膜吸收的CFD模型，可以為后續(xù)的船用吸收式制冷的研究提供借鑒。

[1] 高洪濤,赫明月.乙醇柴油替代燃料排放功效及熱力學(xué)效率計(jì)算分析[J].船海工程,2015,44(2):111-114.

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(大連海事大學(xué) 制冷與低溫工程研究所，遼寧 大連 116026)

Numerical Analysis on Fluctuation Characteristics of Marine Falling Film

GAO Hong-tao, HE Ming-yue

(Institute of Refrigeration & Cryogenics Engineering, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

The characteristics of falling film in rolling state were studied. Using CFD technology, the flow field of falling film absorption was simulated. The variation laws of heat transfer coefficient, interface fluctuation and influence of violent rolling on the falling film were analyzed. The simulation results indicated that compared to stationary state, the film fluctuation is more intense under rolling state. The film fluctuate enhances the heat and mass transfer, which is in favor of falling film absorption. However, violent rolling cause separation and shedding of the film, which will seriously hinder with falling film absorption.

falling film; rolling; absorption refrigeration; fluctuations; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.018

2016-05-31

交通運(yùn)輸部海事局科技項(xiàng)目(2012_27);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132016338)

高洪濤(1966—)，男，博士，教授研究方向:制冷、船舶節(jié)能、可持續(xù)/可再生能源利用

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0073-04

修回日期：2016-07-29