制冷剂在毛细管内的两相流特性研究

    一般制冷剂以过冷液体状态进入毛细管,然后经过等温降压到饱和后再经过液体气化、绝热膨胀过程.对于饱和点后的流动过程,前人存在三种不同的观点:Bolstad和Jordan[1]认为气、液一直处于热力学平衡状态;Mikol[2]认为气、液之间存在短暂的热力学不平衡阶段,但毛细管后段气、液之间达到热力学平衡;Koizumi[3]认为毛细管内两相区总是存在热力学不平衡.但是,没有文献对整个两相流动区的热力学不平衡进行探讨.

    本文作者认为,制冷剂在毛细管内的流动为自蒸发两相流动,要维持制冷剂液体的蒸发,气、液相之间必然存在传热温差,只有当气、液相之间的接触面积趋向无限大时,传热温差才可能趋向于0.而且,气、液两相界面的弯曲会导致气、液两相间存在压差.也就是说,两相区内必然存在热力学不平衡.因此,本文赞同文献[3]提出的观点,并根据这种观点建立了两相流动区的两流体模型.

    1 制冷剂在毛细管内的流动区域划分

    将制冷剂在毛细管内的流动划分为过冷液体区、亚稳态液体区以及两相流动区.如图1所示,图中横坐标为管长l,纵坐标为压力p.

    2 两相流动区的两流体模型

    在两相区内,分布参数C0小于110时为气泡产生和成长区,气泡的产生对液体蒸发的贡献居主要地位,其压力和温度分布可通过文献[4]建立的数学模型计算.本文重点介绍C0达到110以后的两相流动区的模型,此时气泡的产生对液体蒸发的贡献居次要地位,蒸气主要通过气、液相界面的液体蒸发而产生.

    2.1 控制方程

    在建立两流体模型时,先作以下假设:稳态流动;液体和气体可以具有不同的流速;忽略重力、液体的可压缩性和截面积的变化;相间的质量传递是由液体蒸发引起的;一维流动.

    气、液两相的质量方程和动量方程分别为

    式中:ρ、p、u、α、Γ和τ分别表示密度、压力、速度、空泡份额、单位混合物容积的质量增长率和切应力;下标l、v和w分别表示液相、气相和壁面;η为系数;假设气体不和壁面接触,τwv可取为0.

    两流体模型中最关键的是界面相互作用项.界面质量和动量的传递与界面几何形状及当地的驱动势有很密切的联系.界面几何形状与流型有关,两相流动区制冷剂的流动是变流型的过程.本文参照Saha和Abuaf[5]的假定来划分流型(流动经过泡状流、混状流直到环雾流的转变过程).

    2.2 相间界面切应力

    相间界面切应力可由下式计算

    式中:d为毛细管的直径;Cfi为界面切应力因子;C为质量系数.

    2.3 液相与壁面间的切应力

    采用下式计算液相与壁面间的切应力