纳米流体水平管内沸腾流型的模拟研究

聂宇宏, 周长江, 姚寿广, 王公利

(江苏科技大学 能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)

随着科学技术的迅速发展,两相流动体系在现代工业生产以及人类活动中的重要性日益凸显.动力工业、航天工业以及石油化工工业的迅速发展,促使国际上对两相流的研究兴趣持续增长.纳米流体,即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级非金属、金属或金属氧化物粒子,形成一类新的传热冷却工质[1],这是纳米技术应用于传热学的创新型研究.对于纳米流体理论和实验的研究着重于热传导、对流、相变换热等性能[2].将纳米流体应用于气液两相流动与传热方面将大幅度提高换热效果,但目前纳米流体的研究还主要集中在管内强制单相流动,对于水平管内加入纳米流体后的两相流动和沸腾换热的研究很少,并且研究者大多是基于实验研究,对于理论研究不多,而水平管的气液两相流在工业生产中经常观察到,有必要对其内的两相流动和沸腾换热进行分析.在实验研究中,研究者已经观察到不同纳米颗粒浓度下纳米流体沸腾的流型特点[3],但目前还没有通过数值模拟的方法来得到其流型,并与实验结果进行对比分析.两相流动中流型是两相流流动特性以及传热特性研究的基础,不同的流型有着独特的流动及换热特性.流型的变化往往会引起换热特性的变化,纳米流体在气液两相流动中的流型转变的研究是研究两相流流动特性以及传热特性的基础,只有掌握了纳米流体在气液两相流动中的流型转化规律才能更好的研究其在两相流动中的其它诸如压降换热系数等规律,所以研究纳米流体管内沸腾具有重要的实际意义[4].建立水平管内流动模型时,主要的问题是如何确定气液两相在流道内的分布.文中基于Fluent软件,利用UDF编程定义纳米流体相变源项,对Al2O3-H2O纳米流体在水平管内沸腾过程进行了数值模拟,确定了纳米流体气液两相在流道内的分布情况.

1 控制方程

1.1 模型基本方程

采用分相模型,把两相介质看成两种单相流动(气相和液相),分别取各自的介质参数,建立两相流基本方程[5].模型的建立是从每相的诺维-斯托克斯方程开始的.设k为代表相的角码(k=g,l).每一相的诺维-斯托克斯方程组:

连续方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

式中:k=g代表气相,k=l代表液相;uk为相速度向量;pk为相压力标量;I为单位张量;Tk为剪应力张量;gk为重力加速度向量;ek为比热力学能标量,qk为潜热.

1.2 UDF(自定义)源项方程

Fluent软件中没有计算沸腾相变的模型,利用自定义函数UDF调用编写的C语言来定义并计算,沸腾换热的UDF程序主要包括:液相向气相转移的质量、气相向液相转移的质量以及因相变而传递的潜热.程序定义了不同相之间的质量传递和能量传递.由质量守恒性,在传输过程中各相质量之和是不变的,这是作为源项定义在液体和蒸汽的体积比例方程中的.另外,在能量的源项中考虑到了在吸收与释放热量过程中的潜热.

采用VOF模型计算沸腾产生的汽液两相.计算过程为非稳态.

对于蒸发沸腾过程,需要对源项方程[6-7]进行修改,修改方程:

液相源项方程

(4)

气相源项方程

(5)

能量源项方程

(6)

式中:0.1为控制相变强度的因子;α1为液相的体积分数;ρ1为液体密度,单位为kg/m3;T1为混合区液相温度,单位为K;Tsat为混合区蒸发温度,单位为K;ΔH为对应压力下的汽化潜热,单位为kJ/kg.

2 物性参数及模型建立

模拟对象为水平圆管,直径10 mm,长度100 mm.采用有限体积法建立离散方程,将控制体积界面上的物理量及其导数通过节点物理量差值求出,已知边界温度,采用第一类边界条件.由于纳米颗粒的粒径d极细(d<100 nm),很容易流动,所以可将这些颗粒近似看作流体,将纳米流体看作普通的纯流体,在非连续的分散的颗粒和连续的液体间不存在滑移,且两者处于局部热平衡,所有适合纯流体的连续性方程、动量和能量方程都可直接用于纳米流体,只是在其中使用纳米流体的热物性[8].文中使用纳米颗粒浓度分为0.1%,1%,2%的Al2O3-H2O纳米流体.数值模拟中所采用的纳米流体热物性由以下公式确定[9].

密度

ρnf=(1-φ)ρf+φρp

(7)

比热

(Cp)nf=(1-φ)(Cp)f+φ(Cp)p

(8)

粘度

(9)

导热系数

(10)

式(7～10)中,β=1+γ,β1=1+γ/2,γ=h/a,klr=2kf,h为界面层厚度,单位为m;α为粒子半径,单位为m;k为导热系数,单位为w·(m·k)-1;φ为纳米粒子体积浓度;ρ为密度,单位为kg·m-3;Cp为比热,单位为J·(kg·k)-1;μ为粘度,单位为kg·(m·s)-1;下标eff,p,lr,f,nf分别代表有效,粒子,界面层,基液和纳米流体.经过计算,得到计算所用的物性参数(表1).

表1 物性参数表Table 1 Physical property parameter

水平圆管进口端设置为速度进口边界条件,进口温度为300 K,进口压力为常压,进口速度为0.01 m/s.圆管出口端由于出口的压力、温度等条件未知,所以设置为出流边界条件,对整个圆管采用恒定壁温加热方式,施加573 K的恒温加热,计算时考虑了竖直方向的重力影响.

3 模拟结果对比分析

分别对纯水以及纳米颗粒浓度为0.1%,1%,2%的Al2O3-H2O的纳米流体水平管内沸腾时速度场以及气相体积分数的分布进行模拟,气相分布图刻度代表气相在管内的体积分数,得出的模拟结果即流体沸腾时的流型.

3.1 纯水与不同纳米颗粒浓度的Al2O3-H2O纳米流体管内沸腾速度云图

纯水(图1)分别与纳米颗粒浓度为0.1%(图2)、1%(图3)、2%(图4)的Al2O3-H2O的纳米流体管内沸腾时的速度场进行模拟分析,在图中可以看出,沿管长方向,从入口到出口的流动过程中,速度不断增大,流场分布基本相同.但是纯水与不同纳米颗粒浓度的Al2O3-H2O纳米流体的速度梯度变化有所不同,不同纳米颗粒浓度的纳米流体管内流动速度变化也有所不同.纳米颗粒浓度对于纳米流体管内流动速度具有一定的影响.

图1 纯水速度云图(m/s)Fig.1 Contours of velocity Magnitude of Pure water

图2 Al2O3-H2O(颗粒浓度0.1%)速度云图(m/s)Fig.2 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(0.1%)

图3 Al2O3-H2O(颗粒浓度1%)速度云图(m/s)Fig.3 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(1%)

图4 Al2O3-H2O(颗粒浓度2%)速度云图(m/s)Fig.4 Contours of velocity Magnitude of Al2O3-H2O(2%)

3.2 不同纳米颗粒浓度纳米流体在水平管内沸腾的流型

图5为模拟得到的不同纳米颗粒浓度的Al2O3-H2O纳米流体流型.从图中可以看到,对于纳米颗粒浓度分别为0.1%、1%和2%的Al2O3-H2O纳米流体,纳米颗粒浓度对于流型特性几乎没有影响.这与高亦普等[4]在实验中观察的一样(图6),其原因是由于液体表面张力是影响流动特性的支配因子,而纳米颗粒浓度对液体表面张力的影响较小,因此,对于不同纳米颗粒浓度的纳米流体,其两相流流型几乎完全相同.

图5 不同纳米颗粒浓度的Al2O3-H2O纳米流体流型(气相分布)Fig.5 Different Al2O3-H2O nanoparticles concentrations of nanofluid type flow(gas phase distribution)

a)氮气与0.5%SDBS水溶液

b)氮气与1%SDBS水溶液

c)氮气与2%SDBS水溶液

3.3 纳米流体与纯水在水平管内沸腾流型对比

为了更深入地分析纳米流体在水平管内沸腾流型,文中与研究较为成熟的纯水作为对比进行研究分析,模拟中得到的纯水流型的模拟结果与文献[3]、文献[10-11]的实验及分析结果完全一致.由于纳米颗粒浓度对于水平管内沸腾流型特性几乎没有影响,文中以纳米颗粒浓度为1%的Al2O3-H2O纳米流体来研究纳米流体在水平管内沸腾流型(气相分布以及速度场分布).

从图7～10的对比可以看出,Al2O3-H2O纳米流体在水平管内沸腾阶段,与纯水管内沸腾相同,也依次出现了泡状流(图7)、弹状流(图8)、层状流(图9)、波动流(图10)等流型[12].水平管内沸腾蒸发产生的相变含气率沿着管长方向不断增加,但是从对比图还可以看出，在相同截面位置,纳米流体的含气量高于纯水的含气量,基液在沸腾时所出现的流型变得明显不同,纳米流体增强了流动沸腾的不稳定性,强化了流体的扰动与混合,使管内流体能较快达到沸腾蒸发所需要的温度,从图7，8，10可以看出,在加入纳米颗粒之后,观察到泡状流、弹状流以及后面的波状流更加剧烈,更容易产生沸腾.从图9可以看出，加入纳米流体后,层状流变的不稳定,很容易形成波状流,纳米颗粒的加入,增强了沸腾的不稳定性,改善了水平圆管的流动特性.

图7 纯水与Al2O3-H2O纳米流体泡状流型对比Fig.7 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid bubble flow diagram

图8 纯水与Al2O3-H2O纳米流体弹状流型对比Fig.8 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid slug flow diagram

图9 纯水与Al2O3-H2O纳米流体层状流型对比Fig.9 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid stratified flow diagram

图10 纯水与Al2O3-H2O纳米流体波状流型对比Fig.10 Pure water compared with Al2O3-H2O nanofluid wave flow diagram

4 结论

1)对于Al2O3-H2O纳米流体,纳米颗粒浓度对于流型特性几乎没有影响;

2)Al2O3-H2O纳米流体在水平管内沸腾阶段,与纯水管内沸腾相同,也依次出现了泡状流、弹状流、层状流、波动流等流型;

3)纳米流体管内沸腾的流型与纯水的流型相比,纳米流体管内沸腾更加剧烈,速度梯度变化增大,增强了流动沸腾的不稳定性,改善了水平管的流动特性；

4)水平管内沸腾蒸发产生的相变含气率沿着管长方向不断增加,但相同截面位置纳米流体的含气量高于纯水的含气量,强化了流体的扰动与混合；

5)纳米流体沸腾的研究目前还处于初步阶段,纳米颗粒的无规则运动,使得问题变得更加复杂,关于纳米流体流动沸腾的流型特点以及换热机理还有待于更进一步的理论与实验研究.

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