严 彦 董继先 宋智伟

（1.西安工程大学机电学院，陕西西安，710048；2.陕西科技大学机电工程学院，陕西西安，710021）

传统烘缸由于冷凝水无法及时排出而产生的冷凝水环会导致烘缸热阻增加，使得纸机干燥部能耗增大。为解决这一问题，笔者所在团队[1-2]提出了多通道烘缸的概念，其示意图如图1所示。多通道烘缸在烘缸内壁沿周向均匀地设置了一组矩形小通道，蒸汽在通道中冷凝放热，所产生的冷凝水被限制在通道内由后续蒸汽及烘缸旋转产生的离心力促进排出，烘缸内没有积水，从根本上解决了传统烘缸的弊端。

为研究多通道烘缸的传热能力，需对其通道内的冷凝情况进行研究。现有的研究多集中于静止状态下多通道烘缸的传热特性的实验研究[3-7]。但是多通道烘缸在实际工作中是处于旋转状态的，因此，要完全还原其工作状态，则需要进行旋转状态下多通道烘缸通道的冷凝传热研究。但由于旋转冷凝现象本身的复杂性和对其本质认识的局限性，目前的理论尚不足以对工质在管内流动冷凝问题进行完整的理论求解，而采用实验方法又有一定的难度和局限性。

图1 多通道烘缸示意图

本研究采用Fluent软件中的VOF模型，结合UDF自编程序，对旋转状态下多通道烘缸通道内蒸汽冷凝传热特性进行了系统研究。主要研究了烘缸转速对通道内冷凝水含液量、蒸汽冷凝传热系数以及流动压降的影响，为寻找多通道烘缸的最佳工作条件，设计多通道烘缸提供参考及依据。

1 模型建立

1.1 数学模型

笔者采用空气及水作为流动介质，忽略其可压缩性，认为其在流动周期内压力梯度恒定，可列出其质量守恒、动量守恒及能量守恒方程如式（1）～式（3）所示。

式中，u、v 均表示速度分量；Re 为雷诺数；Pr为普朗特数；Θ为温度，Θ=(T-Tc)/(Th-Tc)。

1.2 物理模型

多通道烘缸通道的物理模型如图2 所示。研究中采用冷却水通道对蒸汽进行冷却来替代湿纸幅的换热过程，蒸汽通道中流动的蒸汽通过换热壁面与冷却水通道中的冷却水进行热交换，从而模拟烘缸中蒸汽对湿纸幅的干燥过程。模型中选取的蒸汽通道长度为1000 mm，蒸汽通道高度为4.5 mm，宽度为13.5 mm，冷却水通道长度及宽度与蒸汽通道相同。蒸汽通道的气体入口位于蒸汽通道左侧，冷却水通道的冷却水入口位于冷却水通道右侧，即蒸汽与冷却水呈逆向流动，如图2所示，模型通道尺寸及流体流动状况均与本研究所做实验通道尺寸一致。由于要模拟烘缸旋转现象，将系统坐标原点设置在烘缸旋转轴心处，原点距离蒸汽通道轴线900 mm，蒸汽的流动沿z 轴正方向，冷却水流动方向沿z 轴负方向，重力加速度沿y轴负方向。

在ANSYS 软件中通过加载自编写UDF 来实现冷凝的流固界面以及气液界面的传质过程，实现对冷凝过程的物理描述，进而详细求解冷凝传热传质过程。

1.3 网格无关性验证

图2 多通道烘缸物理模型图

网格的划分对模型的计算结果有很大影响，依据不同的分类方法，网格可分为均匀性网格、非均匀性网格以及结构化网格、非结构化网格。对于本研究来说，因为物理模型的结构较为简单规则，所以采用质量最高的六面体结构化网格对其进行划分，考虑到在蒸汽通道内，气液两相流间会产生较强的界面波动，其波动特性较为复杂，因此需对蒸汽通道边界处的网格进行加密处理用以捕捉边界层处的液膜。在本研究中，通过对通道边界层不断进行加密，使得网格数量分别为96000、546000、756000及926000个。

对于Fluent模型计算来说，网格数量越多，计算对于流动界面的捕捉也越细致，计算结果也会越精确。但是，较大的网格量会使得计算量变大，计算时间变长，所占用的计算机内存也会越大。因此，应选择合适的网格数量，使其在满足模型计算精度的要求下，同时减短计算时间，减小占用内存。图3所示为对本研究所划分的4 种网格数量的网格无关性验证，即分别在4 种网格数量下，当模拟过程进行到第20 s时，距离通道入口处500 mm 处，截面的平均温度变化。从图3 中可以看出，当网格数量达到546000 个后，温度变化不大，因此可以认为网格对计算结果的影响已无关。综合考虑计算成本及计算精度，选用蒸汽通道网格数量为756000个时进行计算。

图3 网格无关性验证

2 结果与讨论

为研究旋转速度对烘缸冷凝传热特性的影响，分别对通道在静止时，旋转速度为23、32、39、45 及50 r/min，即对应过载分别为0、0.5g、1g、1.5g、2g及2.5g（g为重力加速度）时的蒸汽冷凝传热过程进行了模拟。

2.1 冷凝水量随烘缸转速的变化

图4 冷凝水量随烘缸转速的变化

通道内的冷凝水量随烘缸转速的变化如图4 所示。从图4中可以看出，随着烘缸转速的升高，通道内形成的冷凝水量也随之增加，但是不同转速间的冷凝水量相差并不大。图5 为选取当模拟进行至10 s时，不同转速下蒸汽通道换热壁面处的冷凝水分布云图，通过分布云图可以对通道内的冷凝水量及分布有一定性了解。从图5中可以看出，当通道处于静止状态时，由于重力作用，冷凝水会在通道底部形成；当通道开始旋转后，由于旋转离心力的作用，冷凝水慢慢脱离通道底部，向通道上方移动。从图5中还可直观地看出，随着烘缸转速的增加，通道内形成的冷凝水量也随之增加。

图5 不同转速下通道内的冷凝水分布云图

2.2 传热系数随烘缸转速的变化

通道内传热系数随烘缸转速的变化如图6 所示。从图6可以看出，随着烘缸转速的增加，传热系数也逐渐增大，但是增幅趋缓，推测随着烘缸转速的继续增大，不同转速间的传热系数差值将会更小。这是因为通道内传热的最大热阻就是冷凝水膜的厚度，随着烘缸转速的增加，虽然通道内的冷凝水量会增加，但是同时转速的增加也会使得通道内的湍流强度增加，此时，相比于冷凝水量的增加，通道内湍流强度的影响更加强烈，因此传热系数会随着转速的增加而增大。随着转速的增加，对于传热系数来说，由于冷凝水膜厚度增加所产生的影响与湍流强度的影响基本持平，因此传热系数基本保持稳定。

2.3 流动压降随烘缸转速的变化

图7 所示为通道内两相流流动压降随烘缸转速的变化。从图7中可以看出，通道内的流动压降随烘缸转速的增加而增大，但是增幅趋缓。这是因为随着烘缸转速的增加，两相流在通道内的湍流强度增大，因此，两相流间的流动压降也随之增大。当烘缸转速增加到一定程度后，由于模型给定的蒸汽流量较小，因此冷凝水量也较小，流动压降的增加趋势趋于平稳。

图6 传热系数随烘缸转速的变化

图7 流动压降随烘缸转速的变化

3 结 论

本研究采用Fluent 软件中的VOF 模型，通过加入自编UDF 程序，对多通道烘缸内的蒸汽传热特性进行了数值模拟和分析。得出了通道内冷凝水量、蒸汽传热系数及流动压降随烘缸转速的变化规律。

研究结果表明，随着烘缸转速的增加，通道内的冷凝水量增加，但总体来说，由于后续蒸汽的推动作用，通道内冷凝水量较少。传热系数也随烘缸转速的增加而增加，但是增幅趋缓。通道内的流动压降也随转速的增加而增大，但增幅也同样趋缓。