6细小竖管内非沸腾气液两相环状流换热特性分析刘振华。易杰海交通大学机械与动力工程学院，海200030摘提出了+使用竖直细小传热管力高速空气过冷水环状两相流用于质子交换膜型燃料电池两效冷却的方法。理论模拟结果明，在细小管内壁上过冷水形成非常薄的液膜，壁而热流密度可以分为液膜吸热液膜蒸发和湿蒸汽吸热，各种因素影响这3部分热量的耦合匹配，使得管内两相流的传热传质特性十分复杂。在管内的前段部分，液膜升温吸收大部分壁面热量，而在大部分5域内，对流蒸发耦合换热是支配性的传热方式，即使在十分高的热流密度条件壁温也能够稳冗保持在质子交换膜型燃料电池运疔温度以下。探讨了各种流动条件加热管几何尺寸壁而热由何等系统参教对两相成传热传，特性的影响。 符号说明C蒸汽浓度或密度，kgm3 cP定压比热，以告。幻基金项目国家自然科学基金资助项目5，376029f摩擦系数管长，爪M相对分子质量Pr普朗特数q热流密度，识2 Re雷诺数c施密特数管长，爪1希腊字母U水蒸气和空气质量流率比入口处水和空气*大质量流率比，粘度，4，2 f摩擦应力，这k湿空气相对湿度k湿空气含湿量下标G管入口处f空气s饱和状态1水膜V水蒸气g水蒸气空气混合物湿空气，气液界面采用微细通道内水空气环状两相流冷却技术是种十分有希望的新型高效冷却方法。在微细通道实现水空气的环状两相流，使少量的水被高违中气入流路，在流路壁上形成十分薄的液膜以，在高速气流拖动下，气液界面处产生强烈的蒸发换热，其换热系数远远大尸般的水冷或宁冷，达到核态沸腾时的换热系数水准。 以往的管内水空气两相流动基本侧重于较大管径内的两相流流型12气液间摩擦力34和水喷雾换热强化5，对细小管内的环状两相流对流蒸发偶合传热研宄较少67.本文采用数值解析与法研，细小管内空气过冷水环状流的蒸发对流耦介传热。数值模拟1算考察了各种流动条件。加热条件和管路几何条件对环状两相流传热特性的影响。 1理论分析竖直传热管内向下环状两相流的数学模型和坐标系液体依附在壁面形成薄液膜流，流路几乎完全被气流占据版以下简化①研宄流型限尸环状流，液膜非常薄，管内径近似为气相流动直径，液膜内的温度均，即壁温等于气液界面温度③进入加热段的水全部依附在管壁上形成液膜，加热段入口处，壁面定热流密度根据能量平衡关系，壁面热流密度可分为液膜蒸发液膜焓的变化和空气焓的变化根据微元体的能量平衡，对液膜和气核可分别蒸发换热热流密设可达为。f为水蒸气混入气相时需要放出些显热，这部分热量近似地被归入蒸发潜热中。 根据7寸流传热和传质女程本研宄中，气相流动为紊流，换热系数和传质系数13以分别达为管内水蒸气达到饱和前，使用只民方程计算相内的水蒸气浓度，气相内水蒸气分压可由道尔顿分压定律得到管内沿程总压力分布可由动量方程得到7. 计算时沿管长划分网格，经试算后取步长2布初始值。方程1且成基本的非线性方程组，用拟卞顿法求解8个待求域+.1.1工1. 所需的些辅助方程可由般的热力学关系式推得。在整个管长计算遍后，根据计算得到的，值重新计算管内压力，重复上述计算步骤，直至压力计算值收敛。 2计算结果和讨论由2可，对各种你，都是出口处壁温*，壁温随7，加而逐渐降低；气相吸热量十分小，热量分配主要是液膜显热吸热和液膜蒸发吸热7.。前者价符程迅速降低上荇沿管秤迅速1.随此增加，心的权重迅速增加，因此壁温也大幅度降低。私其权重大幅，加。随着蒸发换热量权重的，加，壁温逐渐平坦。如果热量全部用于蒸发，壁温将几乎保持H响尺沙=IfK 2.因为沿管程热量分配基本与21相同，不，小。 影响。当。由20，曾加到60时，壁温并没有很大增加。在化60，保，谖陆，拥椒5，而气相温度基本不变。此时在大部分管程内，蒸发换热占支配地位，因此壁温在大部分管程内基本不变。对蒸发换热涵为气液界面水蒸气浓度随於近似指数规加能引起1的火幅度，加。反之。流动条件和加热条件的大幅度波动。不会引起或的大幅度波动。 减小，传热系数和传质系数，加版不变，壁温显著下降。闪为在不变时，减小，夺意味增流速这有利于，强蒸发换热膦低欺温。 货化，付应于各管长的温度肋线坫木屯。随矜以加，1温也，加，但，加速，消1减缓。1蒸发响的计算结果。计算结果明加对出口壁温，即*高壁温值影响很小，但对壁温沿管程分布影响很大。减小721.，可以减小液膜显热吸热，使蒸发换热支配区域向管入口靠近，沿管程大部分区域内壁温接近均匀分布。 3结论对各系统参数与壁温气温和热量分配的影响进行了理论计算分析。在各种计算条件下，壁温都能保持在80以下。 在管入口附近，液膜显热吸热占主导地位，壁温接近线生增加。在矜中间域。液膜显热吸热和蒸发潜热吸热互相耦合，壁温缓慢增加。当蒸发潜热吸热占支配地位时，壁温基本保持不变。 当壁温在7，弋附近时，的微小增加能弓起气液界面水蒸气浓度的大幅度增加，换热特性具有种自调节功能。也就是流动条件和加热条件的大幅度波动。+会引起或的火幅度波动。 刘振华，易杰，王经。竖直管内降膜高速空气环状两相流的蒸发换热特性理论分析。上海交通大学学，2002，361014791483.