液氮-水相变传热传质特性分析及数值模拟

    1 引 言

    随着高新科学技术的发展,在科学研究、各行各业以及日常生活中越来越广泛地使用120 K以下的各种低温液体。其中的一些低温液体,特别是水下航行器中的低温液体,不能或者无法直接快速排入大气环境。若储存它们的容器绝热装置受到损坏,或者遭到攻击,或者遇到其它意外情况,则会产生巨大的爆炸,造成人员伤亡和经济损失。从安全和环境保护角度出发,在紧急情况下,能够有效地将120 K以下的各种低温液体排入水中,是工程热物理学科前沿的一道新课题,亦是一道难题。因此研究低温液体在水下直接排放的液-气-液或者液液两相流动及传热传质具有特别重要的科学意义。本文根据传热学的基本理论及现有的相关研究结果,对传热传质过程进行合理的简化与分析,建立了适用于常压和超临界压力下低温液体传热传质的理论模型。此模型可用于估算低温液体的生存距离、低温液体的温度场和浓度场。

    2 数理模型

    2. 1 理论分析

    低温液体以一定的排放速度从排放口排出后,以低温液柱的形式进入环境水中,水量可以视为无穷大[1]。低温液体进入水中后迅速汽化,在表面形成一层很薄的气-液-水膜层,并与液柱一起向前流动,同时由于浓度梯度的存在以及浮力的作用,气膜中的气体分子不断向环境水中扩散。随着液体不断汽化,液柱直径逐渐变小,最终完全消失。热量的传递引起质量的传递(液体与水发生的传热引起气化),质量的传递又伴随着热量的传递(气体扩散带走了气体携带的热量)。

    在超临界压力下,低温液体与环境水的换热特性较之常压下有所不同,这主要是流体接近其临界点时异常物性产生的影响。超临界压力下低温液体刚进入水中时,呈现的仍是液体的性质,由于与水的较大温差,在很短的时间后低温液体的温度就超过了准临界温度,呈现出气体的性质,密度随温度增大而逐渐变小,但变小的趋势很平缓,不象常压下液体汽化时密度的突变,因此,汽化过程只是液体平缓地向气体过渡的过程,气泡对环境水的扰动相应减少,这对传热传质不利。由于超临界气体的粘度和密度都较之常压的大,因此气体的质量扩散系数也将减小。由于超临界下液体的汽化潜热为0,环境水温度受影响的范围较之常压下的减小。

    2. 2 数学模型

    本模型将整个水域(包括液柱)作为研究对象,为模拟出无限大的环境,物理模型假设为一个半球形,低温液体排放口位于球心,排放方向为Z向,如图1所示,该物理模型是利用Fluent中专用的几何建模和网格划分工具Gambit进行构形的。网格划分采用Cooper算法,并采用非结构网格,该物理模型共包含40多万个网格单元。为简化计算,现对研究区域作出简化假设: