林元载

（东南大学机械工程学院，南京211189）



基于流体动力学的低温液化过程数值模拟研究

林元载

（东南大学机械工程学院，南京211189）

摘要：本文通过计算流体计算动力学（CFD）方法同时模拟换热器内天然气的主要成分甲烷深冷液化和多相流动的过程，将气相和液相甲烷看成混合物，通过混合物模型建立流体的动量守恒方程、连续性方程、体积守恒方程以及相间热传递方程，采用针对流体自由面运动的立体体积函数（VOF）对相间边界层进行追踪。

关键词：换热器液化相变混合物模型VOF

引言

随着各国环境保护意识的增强和世界能源结构在逐渐变化，天然气成为最受欢迎的能源之一。换热器中预冷和深冷液化液化天然气重要的一个环节。这是一个涉及能量、热量和质量传递的相变过程以及气液两相间界面的追踪的过程。1981年，Hirts和Nichols［1］提出了VOF （Volume of Fluid）方法，并使用该方法对溃坝问题进行数值模拟，论证方法的可行性。该方法的相界面构造基本思想为运动界面追踪问题的数值模拟起到了开创性的作用；1998年，Boris Halasz［2］从热力学角度，以能量、动量、质量平衡为基础，通过分析蒸发式冷凝器内传热传质及流动阻力，总结出了当时所有类型的蒸发式冷却装置通用的数学模型。1988年，Osher和Sethian［3］提出Level Set（水平集）方法，较精确计算相界面曲率及相关的物理量。2015年，Li S［4］等人通过引入热平衡模型，对亚音速蒸汽注入过冷池直接接触冷凝进行数值模拟，结果表明在管出口轴向温度随轴向速度降低而升高和压力震荡主要受蒸汽流速、蒸汽冷凝和低温冷却水的静压力影响。……