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《大连理工大学》 2011年
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结霜与抑霜机理研究及数值模拟

崔静  
【摘要】:结霜现象普遍存在于在自然界以及诸多工程领域,当湿空气流经温度比其露点温度低的表面时,会发生水蒸气在冷表面上凝结的现象,若冷表面的温度低于冰点温度,结霜现象就会发生。霜层的形成以及生长会恶化工程设备运行特性,严重时甚至会影响到设备的正常运转。因此,研究结霜过程,对霜层的形成与生长进行预测,对于指导结霜工况下运行的工程设备的设计有着重要的作用。分析霜层的形成机理,探索抑制其形成异或延缓其生长的方法,从本质上消除霜层存在所造成的危害,对工程应用有着极其重要的意义。本文从观察霜层生长过程的研究出发,分析总结霜层形成机理,建立霜层生长过程的数学模型,预测霜层的非稳态生长过程,用来指导结霜工况下工程设备的设计。寻求抑制霜层生长的方法,并使用数值模拟的方法进行分析与验证。 从宏观的角度分析整个霜层的生长过程,当冷壁面迅速降温时,霜层的生长过程可以分为三个阶段:冰晶形成与生长期,霜层生长期和霜层充分生长期。霜层生长过程主要与以下三个因素有关:冰核的形成与长大、冰核在结霜表面的粘附作用、冰晶的生长速率。首先,基于结晶学理论,分析了冰核在三种不同工况下(均匀同相成核、壁面成核以及悬浮粒子表面成核)的形成机理,得到了冰核形成的临界半径和半径增长速率对于冰核与结霜壁面之间的粘附力,本文认为主要是分子吸附力的作用结果。 在分析霜层形成与生长机理的基础上,基于宏观计算流体动力学(CFD)原理和经典成核理论,提出一个描述霜层生长过程的计算模型。模拟了湿空气横掠水平冷壁面时霜层的生长情况,模拟结果与实验数据和使用前人模型的计算数据均拟合良好,说明此计算模型可以定性定量的预测霜层的形成与生长过程。同时,本文给出了霜层物性参数(密度、导热系数)的计算方法,并得到了霜层生长过程中,不同时刻下局部密度和导热系数以及平均密度和导热系数。此外,我们将此霜层生长计算模型扩展到三维模型,模拟了翅片管式换热器在结霜工况下的运行特性,得到了不同时刻下霜层的非稳态生长情况。进行了变参数正交数值试验,考察了翅片管结构参数(翅片间距)和热力参数(湿空气进口流速、湿空气进口含湿量和制冷剂蒸发温度)对翅片管换热器结霜工况下换热特性的影响,模拟结果可用来指导工程设计。 从相平衡的角度出发,探索抑制霜层形成与生长的方法。在满足工程设计的前提下,增大液体与固体壁面之间的接触角和减小液体与固体壁面之间的接触面积是抑制结霜的有效方法。在超疏水性材料表面布置粗糙元,当粗糙元结构满足一定的条件时,即液滴与壁面之间可以形成“复合接触”的浸润方式时,上述两个条件可以同时满足。使用介观尺度格子Boltzmann方法(LBM),数值研究了液滴撞击水平固壁的动力学行为,通道内气/液两相驱替流动特性和高温液体流经低温通道的换热特性。模拟结果表明,对于超疏水性材料壁面,当表面粗糙元的高度大于液体浸入沟槽内部的深度时,液体与壁面之间形成“复合接触”。之后,改进了基于焓法的格子Boltzmann相变模型,提出了可以用来描述流动液体冻结过程的格子Boltzmann凝固模型,并使用此模型模拟了气体空间内饱和液体在低温固体壁面上的非稳态冻结情况。超疏水性材料表面上,液滴的冻结速度缓慢,形成的冰核接触角较大,冰核与壁面的接触面积较小。此外,增加超疏水性材料壁面的表面粗糙度,可以进一步的延缓液滴的冻结速率。模拟结果定性的说明了使用超疏水性材料粗糙壁面可以抑制霜层的形成和生长。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ026

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