短管内凝结传热形态与热力学非平衡性效应

冷凝器广泛应用于动力工程，空调制冷，石油化工等领域，在许多场合下起到核心作用，占据系统投资、金属材料和能源消耗中的很大比例，如何提高冷凝器换热效率，有效控制和减小冷凝器的体积，一直是人们所关注的重要课题。冷凝液形态和流动是冷凝器提高传热效率的核心，本项目将围绕分段冷凝中间分液产生的管内凝结传热形态与热力学非平衡性效应这一科学问题开展相关的基础探索工作，深刻认识分液短管内凝结形态演化与局部热力学特征，描述瞬态凝结形态耦合共存与过程演化等基本现象和传热特性，探索相关分析预测方法；认识和描述多流程分液式短管内凝结过程的热力学非平衡性与传热规律，揭示凝结形态和多管流程凝结的热力学非平衡性和对凝结传热的影响，确立相关传热理论和冷凝器传热的分析方法。试图从新的角度深层地认识基础物理现象与过程，探索并完善技术原理的基础理论，为相关技术改进和创新奠定基础。

冷凝液形态和流动是冷凝器提高传热效率的核心因素。分段冷凝、中间分液式冷凝器中，各流程管段入口保持了高干度（>0.9）,使管内气液两相流型呈现液滴、薄液膜状，从而保证了较高传热系数；其传热形态同管道入口段的类似，使得工质流经一些列入口管段，即相对于通常长管程冷凝器而言，采用了“短管”结构。本项目围绕短管内凝结传热形态与非热平衡效应这一科学问题开展相关的基础探索工作，深刻认识分液短管内凝结形态演化与局部热力学特征，描述瞬态凝结形态耦合共存与过程演化等基本现象和传热特性。. 研究提出的非热平衡条件下的相变（冷凝/沸腾）成核模型，成功将平衡体系中的相变成核判断依据拓展至非热平衡体系中，适用于高热流密度条件下的凝结、沸腾研究。考察了结构非均匀冷凝壁面上的冷凝形态，发现凝结倾向于发生在一些成核自由能较低的区域，影响后续凝结形态。其原因是凸起结构处温度较低，形成局部的低温区，即出现局部的非热平衡性，造成凝结成核的可能性大大增加，在宏观上表现为这些区域优先出现冷凝液。. 气液界面处流动结构及非热平衡性对冷凝和蒸发过程影响显著。研究了直短管连接段弯管段内二次流对流体温度分布的影响。发现弯管内形成截面方向上的二次流混合，造成温度边界层的破坏，形成冷热流体掺混，一定程度上使得流体温度分布趋向于均匀。热边界层的改变会造成气液界面上相变传热过程的变化，使得原先处于蒸发状态的气泡表面区域变为冷凝状态，极大影响了相关传热过程。. 研究中进一步发展了气液两相在相界面处动量、能量传递的耦合计算方法，深入展示了内部的细致流动和传热细节。发现来流蒸汽（流速2m/s）在液滴内部形成了一个顺时针方向的流动涡，使得温度场分布等值线发生曲折，进而可以很大程度上改变冷凝液滴的整体换热系数。高液滴（0.41mm高度，1.2mm底面直径）在蒸汽吹速为7.5m/s时的传热系数较静止液滴（蒸汽吹速为0m/s）时提高25%左右；而在低液滴（0.28mm高度）中，提高了15%。. 发展了相关数值计算方法，对冷凝两项流进行了模拟分析。该方法在VOF两相流模型的基础上，建立了相界面传热和传质的计算模型，并在技术上成功耦合流动和传热控制方程，进行联合求解。成功计算分析了通道内蒸汽冷凝过程中的流型动态演化过程，与实验结构很好符合。进一步考察了液膜运动形态、温度速度分布、气泡运动和变化等冷凝传热的细节特性。