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    螺旋微反應(yīng)器內(nèi)傳熱過程模擬仿真與尺度放大

    2024-03-27 07:45:10李玉光趙雙飛聶瑩瑩
    含能材料 2024年3期

    李玉光,袁 飛,趙雙飛,,聶瑩瑩,趙 躍,何 偉,郭 凱

    (1.南京先進(jìn)生物材料與過程裝備研究院有限公司,江蘇 南京 211299; 2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

    0 引 言

    近年來,由于具有流動(dòng)可控、傳遞高效的微尺度效應(yīng),微化工技術(shù)在含能材料領(lǐng)域得到快速發(fā)展[1-5],被廣泛應(yīng)用于含能材料的合成[6-8]、結(jié)晶調(diào)控[9-10]和復(fù)合含能材料的制備[11-12]等過程中。其中,硝化、氟化、疊氮化等含能材料及其助劑的制備過程需要釋放大量熱量,熱量傳遞不及時(shí)將會(huì)存在潛在的危險(xiǎn)[13-15]。而微反應(yīng)器作為微化工過程強(qiáng)化的核心裝備,其內(nèi)部的傳質(zhì)傳熱效率是實(shí)現(xiàn)含能材料安全可控制備的關(guān)鍵[16-17]。

    計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬研究方法能夠克服實(shí)驗(yàn)研究中的局限性,從物理、計(jì)算的角度探究流場(chǎng)內(nèi)部流動(dòng)和流動(dòng)特性,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)驗(yàn)參數(shù),避免了實(shí)驗(yàn)研究過程中人力物力的浪費(fèi)[18-19]。Wang 等[20]采用CFD 模擬仿真方法,研究了微通道幾何參數(shù)和流體的體積分?jǐn)?shù)對(duì)努塞爾數(shù)(衡量流體換熱程度的重要參數(shù))和熱阻的影響,結(jié)果表明微通道能有效提高傳熱性能。Kim 等[21]在二維通道的兩側(cè)壁面上安裝了周期性的肋,以便增強(qiáng)湍流傳熱,研究了肋條的寬高比、肋條高度和肋條節(jié)距比對(duì)傳熱的影響,利用加權(quán)因子對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,提升了微反應(yīng)器的傳熱性能。Yuan等[22]利用正弦波和直通道對(duì)甲醇重整制氫反應(yīng)進(jìn)行模擬仿真研究,發(fā)現(xiàn)該類型流體通道在提高傳熱傳質(zhì)和氫氣產(chǎn)量方面有較大優(yōu)勢(shì)。Gao 等[23]基于CFD 成功模擬了新型微反應(yīng)器件的熱和流體動(dòng)力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)其可作為一種初步且經(jīng)濟(jì)的方法,指導(dǎo)藥物納米晶體的連續(xù)生產(chǎn),這是醫(yī)藥領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展。綜上所述,采用CFD 模擬仿真方法,可以快速獲得微反應(yīng)器中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等物理量的分布,考察微反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)與傳熱規(guī)律,實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與開發(fā),為微化工工程化設(shè)計(jì)提供重要參考。

    在實(shí)際研究與生產(chǎn)過程中,通常將微通道螺旋盤繞形成螺旋微反應(yīng)器,以提升傳質(zhì)與換熱效率、實(shí)現(xiàn)含能材料制備過程強(qiáng)化[24-25]。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了螺旋管內(nèi)的流動(dòng)與傳熱規(guī)律的研究。Izadi 等[26]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)模型評(píng)估微螺旋盤管中的微混合性能。Xie 等[27]采用高速顯微鏡攝像系統(tǒng),研究了膜分散螺旋微反應(yīng)器中哌拉西林的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。Veluturla 等[28]考察了螺旋管微反應(yīng)器內(nèi)的傳熱和混合能力,實(shí)現(xiàn)生物柴油的連續(xù)化高效合成。但目前仍缺乏對(duì)螺旋管傳熱性能的多尺度與尺度放大研究[29-30]。

    本研究采用CFD 模擬仿真方法,以螺旋微反應(yīng)器作為研究對(duì)象,在液體層流流動(dòng)狀態(tài)下,研究螺旋微反應(yīng)器的曲率、無綱量螺距對(duì)不可壓縮牛頓流體流動(dòng)與傳熱的影響。同時(shí),對(duì)比螺旋微反應(yīng)器與直通道微反應(yīng)器的傳熱性能,并分析螺旋微反應(yīng)器應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的放大效應(yīng),以達(dá)到高傳熱性能、低流動(dòng)阻力、低壓降、高通量的目的,為微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

    1 模型建立與驗(yàn)證

    1.1 模擬計(jì)算控制方程與邊界條件

    為了簡(jiǎn)化微反應(yīng)器內(nèi)耦合傳熱模型的數(shù)值方程,本研究提出了如下假設(shè):1) 管內(nèi)流動(dòng)流體為不可壓縮牛頓流體;2) 管內(nèi)流體的物理性質(zhì)恒定;3) 管內(nèi)流體和管壁之間無滑移;4) 忽略浮力、粘性加熱、自然和輻射傳熱;5)管內(nèi)流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài);6)忽略外部流體與管壁的傳熱,只研究管壁與內(nèi)部流體之間的熱量傳遞。

    基于以上假設(shè),微反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)、溫度分布、壓力分布等情況可以由以下連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程控制[20-21]:

    式中,u為速度矢量,m·s-1;ρ為流體密度,kg·m-3;p為流體壓力,Pa;μ為流體黏度,Pa·s;cp為流體在恒定壓力下的比熱容,J·kg-1·K-1;T為溫度,K;k為流體的導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·K-1。

    由于液體水與大部分反應(yīng)溶液具有相似的流動(dòng)特性,通常被用作微反應(yīng)器模擬仿真的流體工質(zhì)[31]。因此,本文選用液態(tài)水(ρ=998.2 kg·m-3,μ=1.003×10-3Pa·s,k=0.6 W·m-1·K-1,cp=4182 J·kg-1·K-1)作為研究對(duì)象。微反應(yīng)器的入口為速度入口,入口速度根據(jù)雷諾數(shù)(Re)進(jìn)行計(jì)算,流體進(jìn)入微反應(yīng)器的溫度保持恒定,初始溫度為293.15 K。微反應(yīng)器的出口為壓力出口,外界壓力為0。微反應(yīng)器的管壁采用恒溫壁面邊界條件,管壁的溫度為373.15 K。

    對(duì)于螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的單相流動(dòng)狀態(tài),Srinvasan等[32]采用了如下臨界雷諾數(shù)計(jì)算公式:

    式中,Re 為雷諾數(shù),當(dāng)Re≤Recr時(shí),螺旋管內(nèi)流體為層流流動(dòng);當(dāng)Re>Recr時(shí),螺旋管內(nèi)流體為湍流流動(dòng)。本研究Re范圍為0~200,均小于Recr,處于層流狀態(tài),因此計(jì)算采用Laminar 層流模型。

    由于本研究只關(guān)注管壁與內(nèi)部流體之間的傳熱效果,因此采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算。此外,在求解設(shè)置中,采用SIMPLEC 壓力基求解器,對(duì)流體流動(dòng)變量中的速度、壓力、溫度等進(jìn)行耦合迭代計(jì)算,在每次迭代中更新雅克比矩陣,收斂準(zhǔn)則為迭代過程中各監(jiān)測(cè)物理量殘差小于10-4。

    1.2 螺旋與直通道微反應(yīng)器模型建立

    微通道內(nèi)的流體碰撞到壁面后會(huì)形成與壁面相反方向的二次流擾動(dòng),螺旋微反應(yīng)器的通道壁面發(fā)生連續(xù)改變,易形成連續(xù)變化方向的二次流擾動(dòng)[22]。因此,本研究選用螺旋微反應(yīng)器作為研究對(duì)象,考察其內(nèi)部的傳熱性能。螺旋微反應(yīng)器的物理模型如圖1a 所示,其整體結(jié)構(gòu)由一個(gè)入口、一個(gè)出口和螺旋形管壁構(gòu)成。該物理模型包含螺旋管道半徑r、螺旋高度H、螺旋半徑R和螺距b四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了驗(yàn)證螺旋微反應(yīng)器在傳熱性能上的優(yōu)越性,選擇相同長(zhǎng)度的直通道微反應(yīng)器作為對(duì)比研究的對(duì)象,如圖1b 所示。螺旋微反應(yīng)器和直通道微反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)模型在Solid-Works[31]中通過圓環(huán)分別掃描螺旋線和直線繪制而成。

    圖1 微反應(yīng)器物理模型Fig.1 Physical model of spiral and straight microreactor

    1.3 模擬計(jì)算網(wǎng)格劃分

    采用ANSYS Workbench 自帶的前處理功能對(duì)螺旋微反應(yīng)器內(nèi)流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在Re=1500 條件下,調(diào)整網(wǎng)格數(shù)分別 為9 萬,23 萬,52 萬,104 萬,272 萬和567 萬,對(duì)螺旋微反應(yīng)器的傳熱進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性研究,結(jié)果如圖2 所示。

    圖2 不同網(wǎng)格努塞爾數(shù)(Nu)和流動(dòng)阻力系數(shù)(f)的變化Fig.2 Variations of Nu and f under different grids

    圖2 是網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)折線圖,可以看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量小于104 萬時(shí),努塞爾數(shù)Nu和流動(dòng)阻力系數(shù)f隨網(wǎng)格數(shù)增大而增大;而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于104 萬時(shí),Nu和f基本趨于穩(wěn)定。因此,通過對(duì)模擬計(jì)算精度和效率的綜合考量,確定104萬網(wǎng)格數(shù)為最優(yōu)條件,后續(xù)將采用104萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算模擬,其網(wǎng)格尺寸為0.6 mm,網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

    圖3 流體模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Fluid model grid partitioning

    1.4 模擬計(jì)算驗(yàn)證

    以直通道微反應(yīng)器內(nèi)層流流動(dòng)與傳熱作為研究對(duì)象,將本研究建立的模擬仿真模型與文獻(xiàn)[33]中經(jīng)驗(yàn)公式(5)~(6)計(jì)算得到的傳熱性能(Nu和f)進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證本研究建立的流動(dòng)與傳熱模型的準(zhǔn)確性。

    其中,直通道微反應(yīng)器均勻壁溫下的平均Nu可采用文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)Sieder-Tate 公式計(jì)算[33]:

    流動(dòng)阻力系數(shù)f 的計(jì)算公式如下:

    式中,Re為雷諾數(shù)(Pr為普朗特?cái)?shù)

    將本研究的模擬仿真計(jì)算結(jié)果與采用文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式(5)和(6)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果如圖4所示,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與公式的計(jì)算結(jié)果較吻合,其中努塞爾特?cái)?shù)Nu的偏差為0.31%~3.85%,阻力系數(shù)f的偏差為1.26%~2.82%,偏差均小于3.85%。由此可見,本研究的數(shù)值模擬方法是可靠的。

    圖4 Nu 和f 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式[33]的比較Fig.4 Comparing the simulation-derived Nu and f results with those obtained from empirical formulas[33]

    2 傳熱過程模擬

    2.1 尺寸放大效應(yīng)的模擬研究

    增大管道內(nèi)徑尺寸能夠有效提高換熱的通量,有利于實(shí)現(xiàn)螺旋微反應(yīng)器換熱過程的放大。為了確保螺旋微反應(yīng)器管道在放大的同時(shí),維持較高的傳熱性能,通過調(diào)整螺旋微反應(yīng)器通道半徑的尺寸,來考察多尺度螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的傳熱性能。在螺旋管的總長(zhǎng)度H為1000 mm,δ=0.2,λ=0.1,Re=1000 參數(shù)設(shè)置下,采用模擬仿真方法,考察管道半徑r為0.5,1.0,1.5,2.0 mm 和2.5 mm 時(shí)的流動(dòng)與傳熱規(guī)律。

    2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺旋微反應(yīng)器傳熱的模擬研究

    為了更有效地分析流體在螺旋微反應(yīng)器內(nèi)阻力系數(shù)和能量傳遞,研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱的影響,對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋微反應(yīng)器物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。定義的螺旋的曲率δ=r/D,無量綱螺距λ=b/2πR。分析在常壁溫度邊界條件下,螺旋管的曲率δ和無綱量螺距λ對(duì)微反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)過程中的傳熱努塞爾數(shù)Nu和沿程阻力系數(shù)f產(chǎn)生的影響,確定最優(yōu)螺旋微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)。螺旋管的總長(zhǎng)度H為1000 mm,在保持螺旋半徑,螺旋通道半徑和無量綱螺距條件一致的情況,僅針對(duì)雷諾數(shù)Re在0~2000 范圍進(jìn)行模擬計(jì)算,探索不同曲率δ和雷諾數(shù)Re對(duì)努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f作用的影響。此外,在保證其他條件一致的情況下,探索不同無綱量螺距λ和雷諾數(shù)Re對(duì)努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的影響規(guī)律。采用Fluent 軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋微反應(yīng)器進(jìn)行模擬,具體尺寸參數(shù)見表1。

    2.3 直通道與螺旋微反應(yīng)器對(duì)比

    對(duì)比直通道與螺旋微反應(yīng)器的傳熱性能,考察螺旋微反應(yīng)器對(duì)流體流動(dòng)與傳熱的強(qiáng)化作用。直通道和螺旋管的總長(zhǎng)度H均為1000 mm,管道半徑為2.5 mm,螺旋微反應(yīng)器的曲率δ為0.2,無量綱螺距λ為0.1,雷諾數(shù)Re為1000,采用模擬計(jì)算,對(duì)比研究直通道微反應(yīng)器與螺旋微反應(yīng)器的努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f。為了進(jìn)一步分析螺旋管內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱的強(qiáng)化作用,采用模擬仿真獲得螺旋微反應(yīng)器和直管通道在δ=0.2,λ=0.1,Re=1000 時(shí)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。

    3 結(jié)果分析與討論

    3.1 尺度效應(yīng)

    本研究對(duì)不同管徑螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的傳熱進(jìn)行了模擬,獲得管道半徑r對(duì)努塞爾數(shù)Nu,阻力系數(shù)f,流體通量Q和壓降Δp的影響規(guī)律,模擬計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可以看出,當(dāng)管道半徑r從0.5 mm 增大到2.5 mm 時(shí),Nu從3.15 不斷增大到11.3,變化幅度較大。流動(dòng)阻力系數(shù)f不斷增大,在r達(dá)到1.5 mm 時(shí)流動(dòng)阻力系數(shù)f增大幅度變小,變化的幅度較小。因此,螺旋微反應(yīng)器的傳熱性能存在“放大效應(yīng)”,從努塞爾數(shù)Nu的角度來看,螺旋微反應(yīng)器管道半徑r可放大到2.5 mm。此外,隨著通道半徑的增大,流體的壓降Δp逐漸減小,且通量逐漸增大。當(dāng)管道半徑r從0.5 mm增大到2.5 mm 時(shí),在維持高傳熱性能的同時(shí),流體的壓降減小了98.9%,而換熱流體通量增大了25 倍,且流體通量和通道半徑符合公式Q=0.0056r2。但當(dāng)管道半徑繼續(xù)增大時(shí),螺旋微反應(yīng)器對(duì)流體流動(dòng)二次流所產(chǎn)生的影響不斷減弱,過大的管徑對(duì)流體傳熱效率的提升反而不明顯。因此,在管徑0.5~2.5 mm 范圍對(duì)螺旋微反應(yīng)器進(jìn)行尺度放大,可在維持較大傳熱性能的同時(shí),實(shí)現(xiàn)壓降的降低和通量的放大。

    圖5 尺寸放大時(shí)管徑對(duì)Nu、f、ΔP 和Q 的影響Fig.5 Impact of pipe diameter on Nu, f, Δp and Q during size expansion

    3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺旋微反應(yīng)器傳熱的影響

    3.2.1 曲率對(duì)螺旋微反應(yīng)器傳熱的影響

    本研究對(duì)不同曲率δ和雷諾數(shù)Re時(shí)的傳熱性能進(jìn)行了模擬,獲得曲率δ和雷諾數(shù)Re對(duì)努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的影響規(guī)律,模擬計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。層流流動(dòng)狀態(tài)下,當(dāng)雷諾數(shù)Re較小時(shí),曲率δ對(duì)努塞爾數(shù)Nu的影響不大;但隨著雷諾數(shù)Re的增大,曲率δ對(duì)努塞爾數(shù)Nu的影響也逐漸增大。在雷諾數(shù)一定時(shí),努塞爾數(shù)隨著曲率δ的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。主要因?yàn)殡S著螺旋曲率δ的增大,螺旋半徑逐漸減小,螺旋管彎曲程度相對(duì)越大,會(huì)造成二次流強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),但繼續(xù)增大曲率δ會(huì)促進(jìn)流體形成層流流動(dòng)的趨勢(shì),致使螺旋管傳熱效率先增大后減小。曲率δ的變化對(duì)阻力系數(shù)f的影響較為明顯,曲率δ越大,阻力系數(shù)f也越大。此外,在相同曲率下,阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增高而降低。當(dāng)曲率增加時(shí),管道的彎曲程度也會(huì)隨之增加,這會(huì)進(jìn)一步影響微反應(yīng)器內(nèi)流體的速度方向和尺寸,從而導(dǎo)致微反應(yīng)器內(nèi)流體的阻力系數(shù)上升。盡管增大螺旋微反應(yīng)器的曲率可以強(qiáng)化傳熱性能,但考慮到曲率為0.4 時(shí),管內(nèi)的流動(dòng)阻力較大,因此選擇δ=0.2 作為最佳曲率。

    圖6 曲率δ 對(duì)Nu 和f 的影響Fig.6 Influence of curvature on Nu and f

    3.2.2 無綱量螺距對(duì)螺旋微反應(yīng)器傳熱的影響

    本研究對(duì)不同無綱量螺距λ和雷諾數(shù)Re時(shí)的傳熱性能進(jìn)行了模擬,獲得無綱量螺距λ和雷諾數(shù)Re對(duì)努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的影響規(guī)律,模擬計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出,層流狀態(tài)下,無綱量螺距λ對(duì)螺旋微反應(yīng)器的努塞爾數(shù)Nu影響很小,但對(duì)阻力系數(shù)f的影響較大。隨著無綱量螺距λ的增大,螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的努塞爾數(shù)Nu基本保持不變,而阻力系數(shù)逐漸增大。此外,增大雷諾數(shù)Re時(shí),不同無綱量螺距λ時(shí)努塞爾數(shù)Nu的變化量逐漸增大,而阻力系數(shù)f逐漸減小。在雷諾數(shù)Re相同時(shí),λ=0.100 與λ=0.204的阻力系數(shù)f基本一樣,但當(dāng)無綱量螺距λ繼續(xù)增大時(shí),其對(duì)螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的阻力系數(shù)f的影響也變大,不利于螺旋管的傳熱。因此,選擇λ=0.1 為最佳無量綱螺距。

    圖7 無綱量螺距對(duì)Nu 和f 的影響Fig.7 Influence of dimensionless pitch on Nu and f

    3.3 直通道與螺旋微反應(yīng)器對(duì)比

    3.3.1 傳熱性能

    本研究對(duì)直通道和螺旋微反應(yīng)器的傳熱性能進(jìn)行了模擬,獲得兩種微反應(yīng)器在不同雷諾數(shù)Re時(shí)的努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f,對(duì)比直通道與螺旋微反應(yīng)器的傳熱性能,考察螺旋微反應(yīng)器對(duì)流體流動(dòng)與傳熱的強(qiáng)化作用,模擬計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可以看出,由于螺旋微反應(yīng)器比直通道彎曲,增大了流體流動(dòng)的阻力,導(dǎo)致螺旋管內(nèi)的阻力系數(shù)高于直通道微反應(yīng)器。同時(shí)在較低雷諾數(shù)下,螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的努塞爾數(shù)低于直通道的努塞爾數(shù)。原因是由于雷諾數(shù)較低時(shí),入口處的速度較低,流體在螺旋微反應(yīng)器內(nèi)不容易產(chǎn)生二次流,從而沒有強(qiáng)化傳熱性能[34]。當(dāng)雷諾數(shù)大于450 時(shí),螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的努塞爾數(shù)明顯高于直通道內(nèi)的努塞爾數(shù)。這是由于螺旋微反應(yīng)器的彎曲提高了管壁處的流體和管中心的流體的熱交換強(qiáng)度,說明在較高層流雷諾數(shù)下螺旋微反應(yīng)器有強(qiáng)化傳熱性能的能力。但是由于螺旋微反應(yīng)器比直通道彎曲,增大了流體流動(dòng)的阻力,導(dǎo)致螺旋管內(nèi)的阻力系數(shù)總是比直管的大。由此可見,螺旋微反應(yīng)器可以強(qiáng)化傳熱性能的。

    圖8 直通道與螺旋微反應(yīng)器Nu 和f 對(duì)比Fig.8 Comparison of Nu and f between straight microreactor and spiral microreactor

    直通道與螺旋微反應(yīng)器的努塞爾數(shù)分布云圖如圖9 所示。由圖9 可以看出,直通道與螺旋微反應(yīng)器均在入口處具有較高的努塞爾數(shù),且隨著流體的流動(dòng)努塞爾數(shù)逐漸減小。不同的是,在直通道中的努塞爾數(shù)急劇減小,而直通道與螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的努塞爾數(shù)減小的速率較小。原因是由于通道的彎曲強(qiáng)化了螺旋直通道與螺旋微反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱,致使努塞爾數(shù)減小緩慢。因此,螺旋微反應(yīng)器管道的平均努塞爾數(shù)比直管大,即螺旋微反應(yīng)器的傳熱性能比直通道優(yōu)。

    圖9 直通道與螺旋微反應(yīng)器努塞爾數(shù)分布云圖Fig.9 Nussel number distribution cloud map of straight microreactor and spiral microreactor

    3.3.2 速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

    為了進(jìn)一步分析螺旋管內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱的強(qiáng)化作用,采用模擬仿真獲得了螺旋微反應(yīng)器和直管通道在δ=0.2,λ=0.1,Re=1000 時(shí)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布云圖,如圖10 和圖11 所示。螺旋微反應(yīng)器是在距離入口處旋轉(zhuǎn)1~6 圈處取得的截面,而直通道是根據(jù)螺旋管長(zhǎng)度取得截面對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度處取得的截面。由圖10可以看出,直管的溫度分布較為均勻,但管中心流體的溫度最低,只有管壁處的流體進(jìn)行了傳熱。隨著管長(zhǎng)的增加,逐漸向管中心進(jìn)行傳熱,但對(duì)于長(zhǎng)度為1 m 的直管,其傳熱還未能達(dá)到管中心流體。而螺旋微反應(yīng)器內(nèi)的溫度不是均勻分布的,一開始管壁周圍的溫度還較低,但隨著螺旋微反應(yīng)器不斷延伸,熱量會(huì)受到二次流和熱邊界層的影響,會(huì)從螺旋微反應(yīng)器管壁附近逐漸傳遞到管中心部位。

    圖10 直通道與螺旋微反應(yīng)器不同截面溫度場(chǎng)分布Fig.10 Temperature field distribution in various sections of straight channel and spiral microreactor

    圖11 直通道與螺旋微反應(yīng)器不同截面速度場(chǎng)分布Fig.11 Velocity field distribution in various sections of straight channel and spiral microreactor

    由圖11 可以看出,直通道的速度分布較為均勻,管中心的速度比管壁周圍的速度高,流體在直通道里面流動(dòng)的速度變化較小。而螺旋微反應(yīng)器中,速度分布不再均勻,在旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)的速度分布就呈現(xiàn)內(nèi)凹的圓弧形狀且不再有明顯的變化,說明流體已經(jīng)達(dá)到了充分發(fā)展的階段。隨著流體在螺旋微反應(yīng)器中不斷流動(dòng),離心力對(duì)流動(dòng)流體各點(diǎn)的效果會(huì)逐漸加強(qiáng),二次流產(chǎn)生的效果也會(huì)不斷加強(qiáng),使得外側(cè)壁面處的速度大于內(nèi)側(cè)壁面處的速度。因此,螺旋微反應(yīng)器具有較高的傳質(zhì)性能,對(duì)強(qiáng)化大尺度傳熱過程提供了巨大潛力。

    4 結(jié) 論

    本研究通過計(jì)算模擬來探討流體在螺旋微反應(yīng)器中的流動(dòng)和傳熱特性,獲得了螺旋微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響規(guī)律,進(jìn)一步探討了螺旋微反應(yīng)器和直通道微反應(yīng)器的流動(dòng)與傳熱性能,得到結(jié)論如下:

    (1) 建立了螺旋微反應(yīng)器傳熱模擬仿真模型,模型驗(yàn)證結(jié)果良好,可以用于微反應(yīng)器傳熱性能評(píng)價(jià)。

    (2) 螺旋微反應(yīng)器的傳熱性能存在“放大效應(yīng)”,螺旋微反應(yīng)器管道半徑增大時(shí)熱阻系數(shù)增大,傳熱性降低,且能夠在維持較高傳熱性能同時(shí)放大至2.5 mm,將換熱流體通量增大25倍、壓降降低98.9%。

    (3) 當(dāng)螺旋微反應(yīng)器通道的曲率值在0.1~0.4 范圍內(nèi)逐漸增大,以及無量綱螺距值在0.100~0.436 范圍內(nèi)逐漸減小時(shí),能夠有效提升努塞爾數(shù)和控制沿程阻力系數(shù)。

    (4) 當(dāng)流體處于層流狀態(tài)時(shí),逐漸增大流體的流速可以提高努塞爾數(shù)。因此在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過增加流速來提高傳熱性能。

    (5) 與直通道微反應(yīng)器對(duì)比,螺旋微反應(yīng)器對(duì)流體流動(dòng)與傳熱的強(qiáng)化作用體現(xiàn)在:螺旋通道內(nèi)流體在離心力的作用下產(chǎn)生了連續(xù)變化方向的二次流擾動(dòng),具有較高的傳質(zhì)性能,為強(qiáng)化傳熱過程提供了巨大潛力。

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