納米流體水平管內(nèi)沸騰流型的模擬研究

聶宇宏, 周長江, 姚壽廣, 王公利

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,兩相流動(dòng)體系在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)以及人類活動(dòng)中的重要性日益凸顯.動(dòng)力工業(yè)、航天工業(yè)以及石油化工工業(yè)的迅速發(fā)展,促使國際上對兩相流的研究興趣持續(xù)增長.納米流體,即以一定的方式和比例在液體中添加納米級非金屬、金屬或金屬氧化物粒子,形成一類新的傳熱冷卻工質(zhì)[1],這是納米技術(shù)應(yīng)用于傳熱學(xué)的創(chuàng)新型研究.對于納米流體理論和實(shí)驗(yàn)的研究著重于熱傳導(dǎo)、對流、相變換熱等性能[2].將納米流體應(yīng)用于氣液兩相流動(dòng)與傳熱方面將大幅度提高換熱效果,但目前納米流體的研究還主要集中在管內(nèi)強(qiáng)制單相流動(dòng),對于水平管內(nèi)加入納米流體后的兩相流動(dòng)和沸騰換熱的研究很少,并且研究者大多是基于實(shí)驗(yàn)研究,對于理論研究不多,而水平管的氣液兩相流在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常觀察到,有必要對其內(nèi)的兩相流動(dòng)和沸騰換熱進(jìn)行分析.在實(shí)驗(yàn)研究中,研究者已經(jīng)觀察到不同納米顆粒濃度下納米流體沸騰的流型特點(diǎn)[3],但目前還沒有通過數(shù)值模擬的方法來得到其流型,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析.兩相流動(dòng)中流型是兩相流流動(dòng)特性以及傳熱特性研究的基礎(chǔ),不同的流型有著獨(dú)特的流動(dòng)及換熱特性.流型的變化往往會引起換熱特性的變化,納米流體在氣液兩相流動(dòng)中的流型轉(zhuǎn)變的研究是研究兩相流流動(dòng)特性以及傳熱特性的基礎(chǔ),只有掌握了納米流體在氣液兩相流動(dòng)中的流型轉(zhuǎn)化規(guī)律才能更好的研究其在兩相流動(dòng)中的其它諸如壓降換熱系數(shù)等規(guī)律,所以研究納米流體管內(nèi)沸騰具有重要的實(shí)際意義[4].建立水平管內(nèi)流動(dòng)模型時(shí),主要的問題是如何確定氣液兩相在流道內(nèi)的分布.文中基于Fluent軟件,利用UDF編程定義納米流體相變源項(xiàng),對Al2O3-H2O納米流體在水平管內(nèi)沸騰過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,確定了納米流體氣液兩相在流道內(nèi)的分布情況.

1 控制方程

1.1 模型基本方程

采用分相模型,把兩相介質(zhì)看成兩種單相流動(dòng)(氣相和液相),分別取各自的介質(zhì)參數(shù),建立兩相流基本方程[5].模型的建立是從每相的諾維-斯托克斯方程開始的.設(shè)k為代表相的角碼(k=g,l).每一相的諾維-斯托克斯方程組:

連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

式中:k=g代表氣相,k=l代表液相;uk為相速度向量;pk為相壓力標(biāo)量;I為單位張量;Tk為剪應(yīng)力張量;gk為重力加速度向量;ek為比熱力學(xué)能標(biāo)量,qk為潛熱.

1.2 UDF(自定義)源項(xiàng)方程

Fluent軟件中沒有計(jì)算沸騰相變的模型,利用自定義函數(shù)UDF調(diào)用編寫的C語言來定義并計(jì)算,沸騰換熱的UDF程序主要包括:液相向氣相轉(zhuǎn)移的質(zhì)量、氣相向液相轉(zhuǎn)移的質(zhì)量以及因相變而傳遞的潛熱.程序定義了不同相之間的質(zhì)量傳遞和能量傳遞.由質(zhì)量守恒性,在傳輸過程中各相質(zhì)量之和是不變的,這是作為源項(xiàng)定義在液體和蒸汽的體積比例方程中的.另外,在能量的源項(xiàng)中考慮到了在吸收與釋放熱量過程中的潛熱.

采用VOF模型計(jì)算沸騰產(chǎn)生的汽液兩相.計(jì)算過程為非穩(wěn)態(tài).

對于蒸發(fā)沸騰過程,需要對源項(xiàng)方程[6-7]進(jìn)行修改,修改方程:

液相源項(xiàng)方程

(4)

氣相源項(xiàng)方程

(5)

能量源項(xiàng)方程

(6)

式中:0.1為控制相變強(qiáng)度的因子;α1為液相的體積分?jǐn)?shù);ρ1為液體密度,單位為kg/m3;T1為混合區(qū)液相溫度,單位為K;Tsat為混合區(qū)蒸發(fā)溫度,單位為K;ΔH為對應(yīng)壓力下的汽化潛熱,單位為kJ/kg.

2 物性參數(shù)及模型建立

模擬對象為水平圓管,直徑10 mm,長度100 mm.采用有限體積法建立離散方程,將控制體積界面上的物理量及其導(dǎo)數(shù)通過節(jié)點(diǎn)物理量差值求出,已知邊界溫度,采用第一類邊界條件.由于納米顆粒的粒徑d極細(xì)(d<100 nm),很容易流動(dòng),所以可將這些顆粒近似看作流體,將納米流體看作普通的純流體,在非連續(xù)的分散的顆粒和連續(xù)的液體間不存在滑移,且兩者處于局部熱平衡,所有適合純流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量和能量方程都可直接用于納米流體,只是在其中使用納米流體的熱物性[8].文中使用納米顆粒濃度分為0.1%,1%,2%的Al2O3-H2O納米流體.數(shù)值模擬中所采用的納米流體熱物性由以下公式確定[9].

密度

ρnf=(1-φ)ρf+φρp

(7)

比熱

(Cp)nf=(1-φ)(Cp)f+φ(Cp)p

(8)

粘度

(9)

導(dǎo)熱系數(shù)

(10)

式(7～10)中,β=1+γ,β1=1+γ/2,γ=h/a,klr=2kf,h為界面層厚度,單位為m;α為粒子半徑,單位為m;k為導(dǎo)熱系數(shù),單位為w·(m·k)-1;φ為納米粒子體積濃度;ρ為密度,單位為kg·m-3;Cp為比熱,單位為J·(kg·k)-1;μ為粘度,單位為kg·(m·s)-1;下標(biāo)eff,p,lr,f,nf分別代表有效,粒子,界面層,基液和納米流體.經(jīng)過計(jì)算,得到計(jì)算所用的物性參數(shù)(表1).

表1 物性參數(shù)表Table 1 Physical property parameter

水平圓管進(jìn)口端設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件,進(jìn)口溫度為300 K,進(jìn)口壓力為常壓,進(jìn)口速度為0.01 m/s.圓管出口端由于出口的壓力、溫度等條件未知,所以設(shè)置為出流邊界條件,對整個(gè)圓管采用恒定壁溫加熱方式,施加573 K的恒溫加熱,計(jì)算時(shí)考慮了豎直方向的重力影響.

3 模擬結(jié)果對比分析

分別對純水以及納米顆粒濃度為0.1%,1%,2%的Al2O3-H2O的納米流體水平管內(nèi)沸騰時(shí)速度場以及氣相體積分?jǐn)?shù)的分布進(jìn)行模擬,氣相分布圖刻度代表氣相在管內(nèi)的體積分?jǐn)?shù),得出的模擬結(jié)果即流體沸騰時(shí)的流型.

3.1 純水與不同納米顆粒濃度的Al2O3-H2O納米流體管內(nèi)沸騰速度云圖

純水(圖1)分別與納米顆粒濃度為0.1%(圖2)、1%(圖3)、2%(圖4)的Al2O3-H2O的納米流體管內(nèi)沸騰時(shí)的速度場進(jìn)行模擬分析,在圖中可以看出,沿管長方向,從入口到出口的流動(dòng)過程中,速度不斷增大,流場分布基本相同.但是純水與不同納米顆粒濃度的Al2O3-H2O納米流體的速度梯度變化有所不同,不同納米顆粒濃度的納米流體管內(nèi)流動(dòng)速度變化也有所不同.納米顆粒濃度對于納米流體管內(nèi)流動(dòng)速度具有一定的影響.

圖1 純水速度云圖(m/s)Fig.1 Contours of velocity Magnitude of Pure water

圖2 Al2O3-H2O(顆粒濃度0.1%)速度云圖(m/s)Fig.2 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(0.1%)

圖3 Al2O3-H2O(顆粒濃度1%)速度云圖(m/s)Fig.3 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(1%)

圖4 Al2O3-H2O(顆粒濃度2%)速度云圖(m/s)Fig.4 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(2%)

3.2 不同納米顆粒濃度納米流體在水平管內(nèi)沸騰的流型

圖5為模擬得到的不同納米顆粒濃度的Al2O3-H2O納米流體流型.從圖中可以看到,對于納米顆粒濃度分別為0.1%、1%和2%的Al2O3-H2O納米流體,納米顆粒濃度對于流型特性幾乎沒有影響.這與高亦普等[4]在實(shí)驗(yàn)中觀察的一樣(圖6),其原因是由于液體表面張力是影響流動(dòng)特性的支配因子,而納米顆粒濃度對液體表面張力的影響較小,因此,對于不同納米顆粒濃度的納米流體,其兩相流流型幾乎完全相同.

圖5 不同納米顆粒濃度的Al2O3-H2O納米流體流型(氣相分布)Fig.5 Different Al2O3-H2O nanoparticles concentrations of nanofluid type flow(gas phase distribution)

a)氮?dú)馀c0.5%SDBS水溶液

b)氮?dú)馀c1%SDBS水溶液

c)氮?dú)馀c2%SDBS水溶液

3.3 納米流體與純水在水平管內(nèi)沸騰流型對比

為了更深入地分析納米流體在水平管內(nèi)沸騰流型,文中與研究較為成熟的純水作為對比進(jìn)行研究分析,模擬中得到的純水流型的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[10-11]的實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果完全一致.由于納米顆粒濃度對于水平管內(nèi)沸騰流型特性幾乎沒有影響,文中以納米顆粒濃度為1%的Al2O3-H2O納米流體來研究納米流體在水平管內(nèi)沸騰流型(氣相分布以及速度場分布).

從圖7～10的對比可以看出,Al2O3-H2O納米流體在水平管內(nèi)沸騰階段,與純水管內(nèi)沸騰相同,也依次出現(xiàn)了泡狀流(圖7)、彈狀流(圖8)、層狀流(圖9)、波動(dòng)流(圖10)等流型[12].水平管內(nèi)沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生的相變含氣率沿著管長方向不斷增加,但是從對比圖還可以看出，在相同截面位置,納米流體的含氣量高于純水的含氣量,基液在沸騰時(shí)所出現(xiàn)的流型變得明顯不同,納米流體增強(qiáng)了流動(dòng)沸騰的不穩(wěn)定性,強(qiáng)化了流體的擾動(dòng)與混合,使管內(nèi)流體能較快達(dá)到沸騰蒸發(fā)所需要的溫度,從圖7，8，10可以看出,在加入納米顆粒之后,觀察到泡狀流、彈狀流以及后面的波狀流更加劇烈,更容易產(chǎn)生沸騰.從圖9可以看出，加入納米流體后,層狀流變的不穩(wěn)定,很容易形成波狀流,納米顆粒的加入,增強(qiáng)了沸騰的不穩(wěn)定性,改善了水平圓管的流動(dòng)特性.

圖7 純水與Al2O3-H2O納米流體泡狀流型對比Fig.7 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid bubble flow diagram

圖8 純水與Al2O3-H2O納米流體彈狀流型對比Fig.8 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid slug flow diagram

圖9 純水與Al2O3-H2O納米流體層狀流型對比Fig.9 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid stratified flow diagram

圖10 純水與Al2O3-H2O納米流體波狀流型對比Fig.10 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid wave flow diagram

4 結(jié)論

1)對于Al2O3-H2O納米流體,納米顆粒濃度對于流型特性幾乎沒有影響;

2)Al2O3-H2O納米流體在水平管內(nèi)沸騰階段,與純水管內(nèi)沸騰相同,也依次出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、層狀流、波動(dòng)流等流型;

3)納米流體管內(nèi)沸騰的流型與純水的流型相比,納米流體管內(nèi)沸騰更加劇烈,速度梯度變化增大,增強(qiáng)了流動(dòng)沸騰的不穩(wěn)定性,改善了水平管的流動(dòng)特性；

4)水平管內(nèi)沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生的相變含氣率沿著管長方向不斷增加,但相同截面位置納米流體的含氣量高于純水的含氣量,強(qiáng)化了流體的擾動(dòng)與混合；

5)納米流體沸騰的研究目前還處于初步階段,納米顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng),使得問題變得更加復(fù)雜,關(guān)于納米流體流動(dòng)沸騰的流型特點(diǎn)以及換熱機(jī)理還有待于更進(jìn)一步的理論與實(shí)驗(yàn)研究.

[1] 趙忠超,張東輝,陳育平,等. 納米流體強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2011,25(1):44-48.

Zhao Zhongchao,Zhang Donghui,Chen Yuping,et al. Progress in experimental research on enhancement of heat transfer using nanofluids [J].JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceEdition,2011,25(1):44-48.(in Chinese)

[2] 林璟,方利國.納米流體強(qiáng)化傳熱技術(shù)及其應(yīng)用新發(fā)展[J].化工進(jìn)展,2008,27(4):488-494.

Lin Jing,Fang Liguo. Recent progress of technology and application of heat transfer enhancement of nanofuilds [J].ChemicalIndustryandEngineeringProgress,2008,27(4):488-494.(in Chinese)

[3] 高亦普,劉振華.水基納米流體在水平毛細(xì)管中的氣液兩相流流型特性[J].化工學(xué)報(bào),2007,58(8):1943-1947.

Gao Yipu,Liu Zhenhua. Flow pattern map of two phase now of nitrogen and water based nano-liquids in horizontal capillary tube [J].ChemicalIndustryandEngineeringProgress,2007,58(8):1943-1947.(in Chinese)

[4] 高亦普.氮?dú)?水基納米流體在微小管道內(nèi)兩相流動(dòng)流型特性的研究[D].上海:上海交通大學(xué),2006.

[5] 魯鐘琪.兩相流與沸騰傳熱[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:27-28.

[6] Sandra C K,Heynderickx G J,Marin G B.Modeling the evaporation of a hydrocarbon feedstock in the convection section of a steam cracker[J].ComputersandChemicalEngineering,2009(33):122-132.

[7] Alizadehdakhel A,Rahimi M,Alsairafi A A.CFD modeling of flow and heat transfer in a thermosyphon[J].InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer,2010(37):312-318.

[8] 郭亞麗.納米流體固著液滴蒸發(fā)等流動(dòng)與傳熱問題的LBM分析[D].遼寧大連:大連理工大學(xué),2009.

[9] 徐哲,白敏麗,呂繼組.用CFD方法研究納米流體強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱[R].遼寧大連:中國工程熱物理學(xué)會,2007.

[10] Sandra C K，Heynderickx G J,Marin G B.CFD modeling of all gas-liquid and vapor-liquid flow regimes predicted by the Baker chart[J].ChemicalEngineeringJournal,2008(138):349-357.

[11] 李隆鍵,曾建邦,胡安杰.流動(dòng)沸騰的格子Boltzmann方法模擬[R].重慶:中國工程熱物理學(xué)報(bào),2009.

[12] 徐立,李玉秀,徐進(jìn)良,劉國華.微通道中納米流體流動(dòng)沸騰換熱性能研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào),2011,25(4):559-564.

Xu Li,Li Yuxiu,Xu Jinliang,Liu Guohua.Flow boiling heat transfer performance of nanofluids in a microchannel[J].JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversities,2011,25(4):559-564.(in Chinese)