高洪涛，赫明月

船用降膜吸收器液膜波动特性数值分析

高洪涛，赫明月

应用CFD方法对摇摆状态下的竖直管内降膜吸收流场进行了数值模拟。分析和讨论了不同摇摆周期和摇摆幅度的摇摆状态下液膜传热系数、液膜界面波动幅度的变化规律，以及剧烈摇摆对液膜流动的影响。结果表明：相较于静止状态，摇摆状态下液膜波动更加剧烈。液膜波动的增大会促进气液间的热、质传递，有利于降膜吸收。但是，剧烈的摇摆会使液膜发生分离和脱落，阻碍降膜吸收的进行。

降膜;摇摆;吸收制冷;波动;数值模拟

在船舶上，特别是船用柴油机的排气和冷却水中有大量的余热[1]，而吸收式制冷是一种非常有效回收和利用低品位热能的重要技术[2]。利用吸收式制冷技术来回收和利用船舶余热[3-4]，可以达到节约船舶的燃料消耗，降低船舶污染物排放的目的。

用吸收式制冷替代压缩式制冷来驱动船舶空调在经济性方面十分突出[5]，并已有学者做了初步的船用吸收式空调系统设计[6]。但是到目前为止，吸收式制冷尚未在船舶上应用，这是因为船舶在海洋中航行时的振动、摇摆等运动[7]，会对吸收式制冷的降膜吸收有很大影响。

相对于振动对吸收式制冷降膜的影响[8-9]，摇摆对吸收式制冷降膜的影响更大，但几乎没见到这方面公开发表的研究文献。因此有必要进行摇摆状态对降膜特性影响的研究，也为吸收式制冷在船舶上的推广提供理论支持。为此，采用CFD方法，对摇摆状态下的降膜特性进行数值模拟分析。

1 摇摆周期和摇摆幅度的选取

船舶在海洋条件下航行，主要包括升沉、首尾摇、摇摆(包括横摇和纵摇)、横荡、纵荡等运动形式，其中摇摆对吸收式制冷的影响最大。

就垂直管内降膜吸收而言，纵摇与横摇并没有本质区别。在实际的海况中，船舶的摇摆周期不超过15 s，纵摇幅度不超过7°，横摇幅度不超过15°[10]。本文摇摆周期选择了4 s、8 s和12 s，摇摆幅度选择6°、10°和14°。

2 数值计算物理模型

图1为管内降膜的物理模型：溴化锂浓溶液从入口进入并沿管壁流动，同时5℃的水蒸气从蒸汽入口进入到吸收管内，为溴化锂溶液所吸收，吸收过程伴有放热，其热量被管外逆流的冷却水所带走。

二维的情况下，吸收管为轴对称。当模拟摇摆时，吸收管以轴线为基准，完成周期性的左右摇摆。数值模拟的操作条件见表1。

2 模拟的结果与分析

2.1 摇摆对降膜吸收传热系数的影响

图2所示的是静止状态和摇摆幅度为6°、10°和14°，以及摇摆周期为4 s、8 s、12 s和16 s的摇摆状态时液膜传热系数的变化情况。

表1 数值模拟的操作条件

从图2中可以看出，在本研究范围内，摇摆周期越大液膜的传热系数越高；摇摆幅度越大，液膜的传热系数越低。分析其原因、小的摇摆周期和大的摇摆幅度，意味着摇摆的剧烈。而过于剧烈的摇摆会使得液膜变得更加薄厚不均，甚至发生分离和脱落，热量传递变差。

从图中还可以发现：在摇摆状态下，摇摆幅度为6°，摇摆周期为12 s、16 s时，液膜的平均传热系数的值要比静止状态的值大。这说明摇摆状态对液膜热量传递的影响并非都是不利的。大周期，小幅度的摇摆还会促进液膜热传递的进行。这与文献[11]的实验结论一致，也验证了本模型模拟合理性。

2.2 摇摆状态对液膜界面波动的影响

摇摆状态下，液膜受到摇摆引起的附加惯性力的影响，其液膜波动更加剧烈，液膜的波动幅度(见图3)会增大。而液膜的波动幅度的增大会增加液膜和蒸汽的接触面积，有利于气液间的传热、传质。

为方便研究，定义液膜相对波动幅度为摇摆时的液膜波动幅度和静止时的液膜波动幅度的比值。图4为相同管内位置的液膜在静止状态和摇摆状态下的变化情况对比图。摇摆状态为当摇摆周期为4 s、摇摆幅度为10°、吸收管摇摆到7°时的管内液膜变化情况。

由图4可见，摇摆状态对液膜有很大的影响。主要体现在两点：①液膜的厚度有所增加，这是因为摇摆使得液膜的速度降低，这样就增加了液膜在吸收器内的停留时间，溶液进口流量不变的情况下膜厚有所增加；②液膜波动的变化，波长有所增长，波幅增大。分析其原因，是因为摇摆状态给液膜带来一个附加的惯性力，致使液膜的波动发生了变化。

摇摆周期和摇摆幅度对液膜波动幅度影响如图5所示。图中给出了3种摇摆周期(4 s、8 s和12 s)和3种摇摆幅度(6°、10°和14°)时液膜波动幅度的变化情况。由图5可见，相同摇摆周期时，随着摇摆幅度的增加，液膜的波动幅度在不断增大。而相同摇摆幅度时，随着摇摆周期的增大，液膜的波动幅度逐渐降低。

2.3 剧烈摇摆对液膜流动的影响

图6为静止和剧烈摇摆(摇摆周期为4 s，摇摆幅度为14°)时液膜厚度沿壁面的变化。由图6可见，从进口位置到50 mm处，静止和剧烈摇摆时的液膜表面均开始出现小的波动，不过摇摆时的液膜波动幅度略大于静止时。而在流动到50～100 mm处，剧烈摇摆时的液膜表面波动幅度继续增大，已经明显高于静止时的液膜波动幅度。在流动到100～150 mm处时，剧烈摇摆时的液膜表面波动振幅急剧增大，此时液膜发生了分离和脱落的情况(如图7所示)。

从上述液膜流动过程可以看出：液膜在沿壁面流动的过程中，本身受外界扰动因素的影响，液膜的表面会出现小幅的波动。随着液膜在重力作用下继续向下流动，在静止状态时，液膜的波动幅度虽然也有所增加，但会逐渐变得比较稳定；而在剧烈摇摆状态时，液膜受到摇摆惯性力的作用，其波动幅度越来越大，当波动达到一定程度后，液膜出现了分离和脱落的情况。液膜的分离和脱落对降膜吸收是十分不利的，会大大降低吸收效果。

3 结论

1)摇摆的剧烈程度直接影响液膜的传热系数。大的摇摆周期和小的摇摆幅度的摇摆运动会促进液膜的热量传递；而小摇摆周期和大的摇摆幅度则会不利于传热。

2)摇摆会造成液膜界面波动的增强，而且相同摇摆周期时，摇摆幅度越大界面波动也越大。

3)剧烈的摇摆会破坏液膜的稳定性，使得液膜出现分离和脱落的情况。这会对降膜吸收产生很不利的影响，所以应当尽量避免和防止这种情况的发生。

4)对摇摆状态下降膜吸收特性的研究，有助于吸收式制冷在船舶上的推广，所建立的摇摆状态下降膜吸收的CFD模型，可以为后续的船用吸收式制冷的研究提供借鉴。

[1] 高洪涛,赫明月.乙醇柴油替代燃料排放功效及热力学效率计算分析[J].船海工程,2015,44(2):111-114.

[2] 徐杭田,孙团,吴猛猛,等.船舶溴化锂吸收式制冷装置模拟器的设计与实现[J].中国修船,2014,27(4):13-15.

[3] CHEN Ya-ping, TIAN Ying. Aqueous ammonia solution cooling absorption refrigeration driven by fishing boat diesel exhaustheat[J].Journal of southeast University,2010，26(2):333-338.

[4] 高洪涛,鞠晓群,毛宝龙.以船舶柴油机冷却水余热为热源的TFE/TEGDME吸收式制冰系统[J].工程热物理学报,2013,34(7):1204-1208.

[5] 孙洲阳,涂光备,张于峰.吸收式制冷机在船舶上应用的技术经济分析[J].电力与能源,2001,22(4):149-151.

[6] 沈波,潘新祥,王维伟.船舶余热吸收式制冷空调[J].中国航海,2012,35(4):33-36.

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[8] LIU Yan-li, XU Shi-Ming, ZHAGN Li-song,et al. Numerical modeling of heat and mass transfer of falling film absorption in a vertical tube with TFE/NMP[J]. Fluid machinery,2002,30(1):57-57.

[9] 谭思超,高璞珍,苏光辉.摇摆运动条件下自然循环流动的实验和理论研究[J].哈尔滨工程大学学报,2007,28(11):1213-1217.

[10] 梁宵,李巍.船舶操纵性与耐波性[M].大连：大连海事大学出版社,2012.

[11] 丁帆.吸收式制冷机在摇摆条件下的特性研究[D].大连:大连海事大学，2015.

(大连海事大学 制冷与低温工程研究所，辽宁 大连 116026)

Numerical Analysis on Fluctuation Characteristics of Marine Falling Film

GAO Hong-tao, HE Ming-yue

(Institute of Refrigeration & Cryogenics Engineering, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

The characteristics of falling film in rolling state were studied. Using CFD technology, the flow field of falling film absorption was simulated. The variation laws of heat transfer coefficient, interface fluctuation and influence of violent rolling on the falling film were analyzed. The simulation results indicated that compared to stationary state, the film fluctuation is more intense under rolling state. The film fluctuate enhances the heat and mass transfer, which is in favor of falling film absorption. However, violent rolling cause separation and shedding of the film, which will seriously hinder with falling film absorption.

falling film; rolling; absorption refrigeration; fluctuations; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.018

2016-05-31

交通运输部海事局科技项目(2012_27);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132016338)

高洪涛(1966—)，男，博士，教授研究方向:制冷、船舶节能、可持续/可再生能源利用

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0073-04

修回日期：2016-07-29