冷表面结霜过程的数值模拟研究

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1、传热传质学编号：123577中国丁程热物理学会学术会议论文冷表面结霜过程的数值模拟研究胡珊，吴晓敏叶钦巴图，王维城(清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京

2、

3、Jco2资源利用与减排技术重点实验室，北京100084)(Tel:010-62773413,Email:wuxiaomin@mail.tsinghua.edu.cn)摘要本文利用Fluent,耦合建立了结霜模型，模型屮将结霜过程作为多相流非均柑传质传热过程,即湿空气中的水蒸气向冰相传质，与此同时传递动量和能量。利用所建模型对平板农面结霜过程进行了数值模拟，得到霜层轮廉和霜层质量，以及温

4、度场和速度场，并将模拟所得霜层轮丿郭与已冇文献结果进行对比，符合较好。关键词结需；数值模拟0前言山于霜层的存在给FI常生活和设备运行带來严重的危害，国内外学者対结霜机理和抑霜方法进行了大量的理论和实验研究。其中，利用CFD模拟结霜过程冇助于形象地了解结霜机理及其传热传质过程，11能改善目丽大都仍通过反复实验来获得其结霜特性数据的现状，目前，此类模拟研究较少。近藤智惠了⑴等，使用StarCD软件模拟了二维冷表面结霜。本文利用FLUENT,耦合所建立的结霜模型，对平板表面结霜过程进行了模拟。1模拟对象文中数值模拟所采用的物理模型如图1所示，计算区域为长50mm,

5、高5mm的矩形通道，底面为铝质薄平板。模拟计算区域包括两个部分：湿空气区和霜层区。空气入口模拟计算区域图1数值模拟物理模型设置入口为速度入口，出口处自由出流，底而为恒壁温边界，其他为绝热边界。模拟采用PHASECOUPLESIMPLE压力一速度耦合方法。表1所示为模拟中采用的工况。表1计算采用的工况空气流速m・s"入口空气温度°C冷表面温度°C入口空气中水蒸气质量分数112-120.0062结霜模型采用欧拉多相流模型模拟结霜多相流非均相质量传递过程。主相为湿空气，包含水蒸气和干空气，次相为冰。在结霜过程中，湿空气相中的水蒸气组分会向冰相进行质量传递，同时会产

6、生基于质量传递的动量传递和能量传递。除基于质量传递外，冰札I与空气相通过接触流动也会产牛动量传递和能量传递。模型中使用换热系数模型描述冰相与空气相间的热最传递。通过Fluent白带方程⑵确定霜层内部到霜层表面，空气相内热最传递，综合确定霜层导热和表而对流换热的效果，模拟霜层产住热阻的过程。在合理选用Fluent自带的动量、能量模型之后，建立结霜过程相间质量传递速率是非常重要的。山于模型中仅考虑了空气相和冰相，因而结霜速率可以用空气中水蒸气组分到冰相的质量传递速率九“•來表示。Webb⑶等在2003年指出在空气层和霜层的交界面是过饱和水蒸气，故我们认为结霜速率

7、与空气有效密度（即体积分数％与密度几乘积）及过饱和度正相关，因而结霜过程的质量传输速率可表示为:九"％厂％（0-卩⑺）⑴A为修正系数，©为单元网格湿空气中水蒸气质量分数，其他参数在上文中已提及。其中饱和水蒸气质量分数仅（门山以下方法确定⑷。首先，湿空气的饱和压力鬥（门:P(T)=cxp(^+a】+ci^T+。3了~+①卩'+。5丁°+5"口卩）9for173.15K

8、9.677843XIO3,=6.22157X10-7,a4=2.0747825XI0-9,a5=-9.484024X1O'13,a.=4.1635019,Z?o=-5.8002206X103,勺=1.3914993,b2=-4.8640239X1O'2,b3=-4.1764768X1O'5,b4=-1.4452093XIO-8,$=6.5459673。与ps（t）对应的饱和湿空气含湿fiwv（r）:W（T）=0.62198"门p°-pxn式屮P。为人气压力，取101325Pa,进而得到水蒸气的饱和质量分数:W、.(T)1+WQ)在设定边界条件时，将冰相的速度

9、设为零，这样当流道空问小存在质量传输时，就会形成I古I定在空间中的冰相。由于空气相与冰相之间的接触动量传递，当冰相的体积分数达到一定数值时就会阻碍空气流场。在Fluent计算屮，我们通过网络内部湿空气速率來判断此处是否结甫。3数值模拟结果与分析采用上述数学模型，我们对研究对象采用Fluent进行了结霜过程的模拟。由于霜层的物理结构为冰和湿空气纟fl成的多孔介质，在模型屮将霜层做为有一定体积分数冰和且速度为零，通过霜层屮冰与空气的休积分数获得霜层质量；另外，模型使用动量传递系数描述霜层在形成过程中对于空气流道的阻碍现象，并以此确定霜层与空气层的边界获得霜层的轮

10、廓。3」霜层轮廓结果图2所示为3小时内霜层中冰相体积