水在流动油介质中雾化机理的数值模拟研究

    0 引言

    冰蓄冷空调在我国正得到推广使用.目前的冰蓄冷空调中普遍采用静态制冰,随着制冰量的增加,水与冷媒之间的热阻逐渐增大,制冰率因而减小,增加了能量损失.近年来,流体冰的制作、研究及应用越来越引起制冰界的注意,尤其是在发达国家.流体冰较块冰、片冰和壳冰而言,最为显著的优点是在制冰过程中固体传热面上无冰层产生,实现完全流动换热,因此传热系数大,传热温差小,制取流体冰的性能系数COP可比制取块冰提高近一倍.目前制取流体冰的方法有很多[1, 2],本文研究内容的背景是一种新提出的制取流体冰的方法:载冷介质油流过蒸发器被冷却到0℃以下,在制冰通道中,通过浸没于载冷介质中的喷头将淡水雾化成细小水滴并顺流喷入.水滴与周围低温载冷介质直接接触换热,在流动过程中被冻成冰颗粒.流体冰在滤冰容器中进行分离,冰晶送至蓄冰罐,油介质则进入下一次循环[3].在该制取流体冰新方法中,水在流动油介质中的雾化特性至关重要,研究喷口处水的流速、油的入口流速、喷口直径等对雾化水滴大小的影响并总结规律,对雾化过程进行优化是急需解决的关键问题之一.目前对一种液体在另外一种不相溶的液体中雾化的研究较少.本文采用VOF方法对水在油介质中的雾化过程进行了数值模拟,分析了水在喷口处流速、油的入口流速以及喷口直径对雾化水滴大小的影响.

    1 VOF方法与界面重构技术[4]

    VOF方法通过定义一个流体体积函数f,使f的值等于一个单元内流体体积与该单元体积之比,如果f=1,说明该单元内充满流体;如果f=0,说明该单元内不含流体;如果0

    在某一时刻,只要求出f,就可以根据其值构造出每个网格上的自由面,然后根据自由面的位置离散求解物理量的控制方程,并且在自由面上可以进行一些细微处理,以提高精度和分辨率.

    本文采用Youngs[5]提出的PLIC方法对移动界面进行重构,在单个网格内用直线段近似界面.先计算网格内界面的法向,利用附近的9个网格在一起组成求解中心界面网格中界面法向的差分格式:

    然后根据法向可以确定界面与x轴的夹角β,并将其规格化为A,这样得到界面在网格内的16种不同的组合经过对称和翻转可以简化为4种情形(如图1所示).利用此夹角和网格内体积函数可以确定属于哪种类型,然后计算直线的斜率与位置,构造该网格内的界面,并计算在一个时间步内流过四周边界的相邻网格的流体体积量,以修改本网格和四周相邻网格的流体体积函数,迭代求解.

    2 物理模型与数学模型