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紧凑型换热器中多分散颗粒沉积的数值研究

期刊:applied thermal engineeringDOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.08.023

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是针对该研究的学术报告:


作者及机构
本研究由S. Baghdar Hosseini(Shahid Beheshti University机械与能源工程系)、R. Haghighi Khoshkhoo(通讯作者,同机构)及S.M. Javadi Malabad(Quchan University of Advanced Technology机械工程系)合作完成,发表于2017年的期刊《Applied Thermal Engineering》(卷127,页330-346)。


学术背景
研究领域聚焦于紧凑型换热器(Compact Heat Exchanger, CHE)的颗粒沉积问题。工业应用中,CHE因高表面积-体积比(>700 m²/m³)被广泛用于空调、汽车散热器等场景,但其翅片通道易受颗粒污染(Particulate Fouling)影响,导致压降增加和传热效率下降。此前研究多关注实验观测,但对多分散颗粒(Polydisperse Particles)沉积的数值模拟研究不足。本研究旨在通过计算流体力学(CFD)结合离散颗粒模型(Discrete Particle Model, DPM),量化颗粒尺寸(1–1500 μm)和流速(1–5 m/s)对沉积的影响机制。


研究流程与方法
1. 模型构建与网格划分
- 几何模型:基于实验数据构建3D五通道翅片换热器模型,扩展入口/出口区域以确保流动充分发展。
- 网格独立性验证:通过四种网格密度(28万至120万单元)对比流速和沉积率,最终选择66.5万单元的网格(y+,近壁增强处理)。

  1. 流体相模拟

    • 控制方程:采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程Realizable k-ε湍流模型,结合增强壁面函数(Enhanced Wall Treatment)处理近壁流动。
    • 边界条件:入口为速度入口(湍流强度5%),出口为压力出口,壁面无滑移,周期性边界模拟无限扩展结构。
  2. 颗粒相模拟

    • Lagrangian方法:追踪颗粒轨迹,考虑曳力、Saffman升力、布朗力及虚拟质量力。
    • 沉积判据:通过用户自定义函数(UDF)define_dpm_erosion计算法向/切向力平衡,判定颗粒是否沉积或反弹。
    • 颗粒分组:六组多分散颗粒(PS1–PS6,1–1500 μm),按Rosin-Rammler分布注入,质量流量0.001 kg/s。
  3. 数值求解与验证

    • 耦合方式:双向耦合(Two-way Coupling)考虑流体-颗粒相互作用。
    • 验证实验:对比团队前期实验数据(Khoshkhoo et al., 2004),压降和沉积率误差<10%,验证模型可靠性。

主要结果
1. 颗粒尺寸的影响
- 沉积率峰值:PS3组(250–500 μm)沉积率最高(80%),因惯性力主导且重力影响较小;PS6组(1000–1500 μm)因重力沉降仅15%。
- 协同效应:小颗粒(PS1/PS2)与PS3组混合注入时,沉积率提升50%,因大颗粒改变流场动量分布。

  1. 流速的影响

    • 双峰趋势:1–5 m/s流速下,小颗粒(PS1–PS3)沉积率随流速增加(PS3从30%升至90%),而大颗粒(PS4/PS5)因曳力增强反弹增加。
  2. 沉积位置分布

    • 空间特征:80%沉积发生于翅片前缘及第一、第二和第十边缘,与流动滞止区和回流区吻合(图19)。
  3. 无量纲分析

    • Stokes数(Stk)与雷诺数(Rep):Stk/Rep=3–6时沉积率最大,揭示了颗粒惯性-湍流相互作用的临界区间(图24)。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统量化多分散颗粒在CHE中的沉积规律,揭示了250–500 μm颗粒为沉积临界尺寸。
- 提出混合注入小颗粒可显著增强沉积,为工业防污设计提供新思路。

  1. 应用价值
    • 优化换热器通道几何设计(如前缘强化)可减少沉积;流速控制策略需根据颗粒尺寸调整。

研究亮点
1. 方法创新:耦合RANS与DPM模型,开发UDF精确模拟沉积判据。
2. 发现创新:明确Stk/Rep临界区间对沉积的调控作用,填补多分散颗粒沉积理论的空白。
3. 工业意义:为能源设备防污维护提供量化依据,如电厂换热器或汽车散热器的颗粒管理。


其他有价值内容
- 研究对比了四种湍流模型(Realizable k-ε、RNG k-ε等),证明Realizable k-ε在复杂剪切流中的优越性(图8–10)。
- 开源工具OpenFOAM的FVM-DEM方法被引用为未来扩展方向(Kuruneru et al., 2016)。

(报告字数:约1800字)

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