FLUENT直接接触式换热器模拟之二
正文共：1690字13图预计阅读时间：5分钟1前言直接接触式换热器是一种高效的热能传递设备，其核心特点在于冷热流体直接混合接触进行热交换，完全省去了传统间壁式换热器中的固体传热壁面。这种设计消除了壁面热阻和污垢热阻，使得其传热效率极高，单位体积或单位面积的传热能力远大于间壁式换热器。常见的应用形式包括气液系统（如喷淋塔、填料塔用于气体冷却/加热、蒸汽冷凝、增湿/除湿）和液液系统（如搅拌混合罐）。它的工作原理主要依赖于两相流体的充分混合：一种流体被分散成液滴、气泡或薄膜（分散相），与另一种连续相流体在塔器或容器内逆流、并流或错流接触。巨大的、不断更新的相界面是高效传热的关键。其显著优势包括结构相对简单、成本较低、不易结垢、能处理含颗粒或易结垢流体、以及可利用相变潜热（如蒸汽直接接触冷凝）实现极高传热速率。然而，其应用也有严格限制：必须允许两种流体相互混合且不发生有害的化学反应或污染。流体间的互溶性、后续分离的难易程度以及允许的少量夹带是选型的关键考量。此外，流体力学行为（如气液系统中的液泛、压降）需要精确控制。尽管存在限制，在允许流体直接接触的工业场景（如电站冷却塔、化工吸收/解吸伴随传热、海水淡化、地热利用、冶金、食品加工等）中，直接接触式换热器凭借其卓越的效率和解决特殊工况的能力，是不可替代的重要选择。之前我们做一个简单的案例模拟了直接接触式换热器，彼时我们没有考虑相变，今天我们继续做一个案例，本案例考虑了高温空气与冷却水混合后的加湿过程。2建模与网格创建如下的三维混合换热器，具有一定湿度的高温空气（水蒸气质量分数0.00842）从换热器底部进，从顶部出，冷水从中间进，底部出。划分多面体网格，节点数43.6万，最小正交质量0.43。3边界条件与求解设置本案例需要同时用到多相流模型和组分输运模型，其中组分输运模型模拟的是空气的湿度变化，我们采用VOF两相流模型，液态水为主相，空气混合物为次相。同时，需要注意的是组分输运模型的混合物要和两相流的相对应上，空气混合物的组分顺序也要把水蒸气放在前面，因为本案例的UDF需要调用混合物的组分。基本的设置：开启能量项、开启重力项，不再赘述。热空气入口设置为速度入口，速度2m/s，温度100℃，组分为100%空气（其中水蒸气质量分数0.00842）。冷水入口设置为速度入口，速度0.5m/s，温度25℃，组分为100%液态水。热空气出口设置为压力出口，注意回流组分设置为100%空气，这个需要格外注意，如果误设置为液态水，则在迭代计算过程中若出现回流，可能造成计算发散。冷水出口设置为压力出口，回流组分设置为100%液态水。因为湿空气的湿度会随着换热的进行而发生变化，因此其露点温度是变化的，本案例我们采用UDF方法修改湿空气的露点温度，亦即两相流中液态水相变为空气混合物的水蒸气的饱和温度。该UDF代码与我们之前的案例（FLUENT湿空气冷凝模拟）是一致的，读者朋友可以从之前的案例获取，其他的一些设置参考也可以查看该案例。需要注意的是，经过多次调试该代码在本案例中无法用于干空气的加湿，也就是空气混合物的水蒸气质量分数不能太小甚至为零，否则无法收敛。本案例我们将相变系数减小为0.001/s，不然很容易计算发散，当然这个值应该从实验获取，通常设置成较大值，则瞬态计算时间步长需要调小，否则容易发散，反之亦然。为了获得较好的收敛解，本案例的亚松弛因子需做如下设置。采用patch方法设置换热器内初始液位，这个设置很重要，我们没有必要把注水这个过程也模拟，对于给定流量，最终会有一个终了液位，此时入口流量和出口流量相等。瞬态计算，时间步长0.0001s。4计算结果由于计算非常缓慢，本案例并没有计算到稳态。我们主要看一下出口的水蒸气摩尔分数变化情况，可以看出空气的湿度增加了。我们看一下某个时刻的露点温度分布，湿空气的露点温度约在11℃附近，液态水的露点温度亦即该压力下的饱和温度。再看一下计算域截面的水蒸气摩尔分数云图，水面上方附近的摩尔分数略高。最后，我们看一下相变速率云图，显然相变发生在空气和液态水交界面处，因此这些区域的湿度也会如上图所述更高一点。来源：仿真与工程
