ダイレクトシミュレーション法による表面波を伴う凝縮液膜流の解析

直接模拟法分析伴表面波的凝结液膜流

基本信息

批准号：
07750237
负责人：
宮良明男
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Saga University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07750237/
关键词：
凝縮液膜流ダイレクトシミュレーション表面波熱伝達

项目摘要

鉛直に設置された冷却面上で蒸気が膜状凝縮する場合、液膜の流動様式は下流に向かって層流、波流、乱流へと遷移する。層流域の液膜の流動特性や伝熱特性は、Nusseltの理論によりほぼ正確に説明できる。しかし、波流域や乱流域に関しては、国内外で多くの研究がなされているにもかかわらず、まだ不明な点が多い。本研究では、ダイレクトシミュレーション法を用いて鉛直平面上を流下する凝縮液膜の流れを解析し、液膜表面に波が発生する場合の流動および熱伝達特性について検討した。なお、本解析では人工的な微小擾乱を与えることなしに安定した表面波が発生した。表面波は膜レイノズル数が120程度になると発生し、最初は振幅が急激に増大するが、下流になると増加の程度が緩やかになる。さらに下流では波の合体が見られる。また、時間平均液膜厚さが層流液膜に対するNusseltの解より薄くなる。温度場に関しては、非定常二次元のエネルギー方程式を同時に解くようにプログラムを改良し、凝縮液膜内の温度場を求めた。それにより、液膜内の瞬間的な温度分布は波の影響で直線的でなくなる結果が得られ、これまでの直線分布の仮定が適当でないことを示した。壁に垂直方向の温度分布は波が通過するときには下に凸の曲線で、壁面での温度勾配が直線分布より大きくなり、通過後は逆に下に凸の曲線になる。また、液膜の薄い部分ではほぼ直線的な分布となる。一方、時間平均液膜厚さから層流液膜を仮定して求めた熱伝達係数と壁面での温度勾配から求めた熱伝達係数との差は小さい。これは、液が常に存在している基底液膜内では、時間平均の温度分布は直線的であり、基底液膜厚さと時間平均液膜厚さの差が小さいことが原因である。これらのことから、凝縮液膜表面に波が発生した場合に熱伝達係数が高くなるのは、平均液膜厚さが薄くなることが大きな要因で、波による液膜内の撹拌効果は小さいことを明らかにした。

当蒸汽在垂直安装的冷却表面上凝结成膜时，液膜的流动模式向下游从层流转变为波流再到湍流。努塞尔理论几乎可以准确地解释层流区域液膜的流动和传热特性。然而，尽管国内外进行了大量研究，但关于波浪区和湍流区仍然存在许多未知数。在本研究中，我们采用直接模拟的方法来分析沿垂直平面流动的凝聚液膜的流动，并研究了液膜表面产生波浪时的流动和传热特性。此外，在该分析中，生成了稳定的表面波，而没有引入任何人为的微小干扰。当薄膜喷嘴数达到120左右时，出现表面波，起初振幅迅速增加，但下游增加程度逐渐平缓。再往下游，可以看到波浪合并。此外，时间平均液膜厚度比层流液膜的努塞尔特解更薄。对于温度场，我们改进了程序，同时求解非定常二维能量方程，确定了凝聚膜中的温度场。结果，由于波浪的影响，液膜内的瞬时温度分布变得非线性，这表明之前的线性分布假设是不合适的。波通过时垂直于壁面方向的温度分布为下凸曲线，壁面温度梯度变得大于线性分布，反之通过后则变为下凸曲线。而且，在液膜较薄的部分，分布几乎呈线性。另一方面，根据假设层流液膜的时间平均液膜厚度求出的传热系数与根据壁面的温度梯度求出的传热系数之差较小。这是因为，在始终存在液体的基础液膜中，时间平均温度分布是线性的，并且基础液膜厚度与时间平均液膜厚度之间的差异很小。由此可知，在冷凝膜表面产生波时传热系数增大的原因在于，平均液膜厚度变薄，并且由波引起的液膜内的搅拌效果小。