冷表面结霜过程的数值模拟研究

1、传热传质学编号：123577中国丁程热物理学会学术会议论文冷表面结霜过程的数值模拟研究胡珊，吴晓敏叶钦巴图，王维城(清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京|j co2资源利用与减排技术重点 实验室，北京100084)(tel: email: wuxiaomin)摘要本文利用fluent,耦合建立了结霜模型，模型屮将结霜过程作为多相流非均柑传质传热过程, 即湿空气中的水蒸气向冰相传质，与此同时传递动量和能量。利用所建模型对平板农面结霜过程进行 了数值模拟，得到霜层轮廉和霜层质量，以及温度场和速度场，并将模拟所得霜层轮丿郭与已冇文献结 果进行对比，符合

2、较好。关键词结需；数值模拟0前言山于霜层的存在给fi常生活和设备运行带來严重的危害，国内外学者対结霜机理和 抑霜方法进行了大量的理论和实验研究。其中，利用cfd模拟结霜过程冇助于形象地 了解结霜机理及其传热传质过程，11能改善目丽大都仍通过反复实验来获得其结霜特性 数据的现状，目前，此类模拟研究较少。近藤智惠了等，使用starcd软件模拟了二维 冷表面结霜。本文利用fluent,耦合所建立的结霜模型，对平板表面结霜过程进行了模拟。1模拟对象文中数值模拟所采用的物理模型如图1所示，计算区域为长50mm,高5mm的矩 形通道，底面为铝质薄平板。模拟计算区域包括两个部分：湿空气区和霜层区。空气入口模

3、拟计算区域图1数值模拟物理模型设置入口为速度入口，出口处自由出流，底而为恒壁温边界，其他为绝热边界。模 拟采用phase couple simple压力一速度耦合方法。表1所示为模拟中采用的工况。表1计算采用的工况空气流速ms"入口空气温度°c冷表面温度°c入口空气中水蒸气质量分数112-120.0062结霜模型采用欧拉多相流模型模拟结霜多相流非均相质量传递过程。主相为湿空气，包含水 蒸气和干空气，次相为冰。在结霜过程中，湿空气相中的水蒸气组分会向冰相进行质量 传递，同时会产生基于质量传递的动量传递和能量传递。除基于质量传递外，冰札i与空 气相通过接触流动也会产牛

4、动量传递和能量传递。模型中使用换热系数模型描述冰相与 空气相间的热最传递。通过fluent白带方程确定霜层内部到霜层表面，空气相内热最 传递，综合确定霜层导热和表而对流换热的效果，模拟霜层产住热阻的过程。在合理选 用fluent自带的动量、能量模型之后，建立结霜过程相间质量传递速率是非常重要的。山于模型中仅考虑了空气相和冰相，因而结霜速率可以用空气中水蒸气组分到冰相 的质量传递速率九“來表示。webb等在2003年指出在空气层和霜层的交界面是过饱和 水蒸气，故我们认为结霜速率与空气有效密度（即体积分数与密度几乘积）及过饱 和度正相关，因而结霜过程的质量传输速率可表示为:九"厂（0-卩

5、） a为修正系数，©为单元网格湿空气中水蒸气质量分数，其他参数在上文中已提及。 其中饱和水蒸气质量分数仅（门山以下方法确定。首先，湿空气的饱和压力鬥（门:p(t) = cxp(+ a】+ cit +。3了 + 卩'+。5丁° + 5 "口 卩）9for 173.15k<t<273.15k(2)+ bl+bj + bj2+bat3+b5nt),for 273.15k<t<4735k(3)其中，d°=5.6745359x10，t/, =6.3925247, r/2= -9.677843x io3, =6.22157x 10-7

6、, a4= 2.0747825xi0-9, a5 =-9.484024x 1 o'13, a. =4.1635019, z?o=-5.8002206x 103, 勺=1.3914993, b2= -4.8640239x 1 o'2, b3= -4.1764768x 1 o'5, b4= -1.4452093x io-8, $=6.5459673。与ps（t）对应的饱和湿空气含湿fiwv（r）:w （t） = 0.62198 "门 p°-pxn式屮p。为人气压力，取101325pa,进而得到水蒸气的饱和质量分数:w、.(t)1 + wq)在设定边界条件

7、时，将冰相的速度设为零，这样当流道空问小存在质量传输时，就 会形成i古i定在空间中的冰相。由于空气相与冰相之间的接触动量传递，当冰相的体积分 数达到一定数值时就会阻碍空气流场。在fluent计算屮，我们通过网络内部湿空气速率 來判断此处是否结甫。3数值模拟结果与分析采用上述数学模型，我们对研究对象采用fluent进行了结霜过程的模拟。由于霜层的物理结构为冰和湿空气纟fl成的多孔介质，在模型屮将霜层做为有一定体积分数冰和且 速度为零，通过霜层屮冰与空气的休积分数获得霜层质量；另外，模型使用动量传递系 数描述霜层在形成过程中对于空气流道的阻碍现象，并以此确定霜层与空气层的边界获 得霜层的轮廓。3霜

8、层轮廓结果图2所示为3小时内霜层中冰相体积分数沿湿空气流动方向的分布。我们认为霜层 中冰相体积分数大于0 （或者一个非常小的值，例如0.001）时，可认为此区域为霜'层, 会对空气流场造成阻碍作用，因此图2也就是霜层轮廓的结果。volume fraction oficet=2.0ht=2.5h450050000000图2霜层屮冰相体积分数分布文献5的结果如图3所示，lenic等使用fortran编程软件模拟了结霜过程，与木文 采用fluent模拟的霜层分布进行对比（模拟对彖及工况同文献5）,可见使用本文中模 型所得到的箱层分布较文献的结果更为平滑。这可能是因为lenic等人的模型屮考虑

9、 了霜层生长的初始阶段，即冷表面结品过程，其使用的方法是通过设定一定的冷表面初 始条件來模拟晶体在冷表面上的不规则分布。而本文屮的模型则更多关注于预测霜层住 长、密度分布以及霜层总重量随时间变化的数据等。 i m/sx/cm图3霜层厚度及速度场分布3.2温度与速度分布图4所示为模拟区域温度的分布情况。入口湿空气温度为285.15k,由图可见越靠 近冷壁曲温度越低；在水的三相点温度附近，温度分布有较为明显的分界。temperature phased.284.282280278276274272270268266264262图4模拟区域温度分布图5所示为模拟区域速度分布情况。入口湿空气速度为lm/

10、s,据图中结果可见最大 速度出现在湿空气区，为5.5m/s,霜层区域的速度为0。随着霜层的增长，湿空气区速 度增大，这是由于霜层的增长造成空气通道减小的缘故。t=0.5hx velocity phase-15554543.532.521.5105图5模拟区域速度分布3.3结霜质量结果图6所示为模拟所得冷表而上结霜质量在得半小吋的结果，显然结霜质量与吋间成 正比关系。6-11-°"'iii*i'ii'i0306090120150180210running time min图6结霜质暈随时间变化4结论木文利用fluent,耦合建立结霜模型，模型中将结霜过

11、程作为多相流非均相质虽传 递过程，空气相屮的水蒸气纽分向冰相进行质量传递，同时产牛基于质量传递的动量传 递和能虽传递。模型建立了描述结霜过程屮水蒸气和冰之间的质量传递模型，并基于此 对平板结緡过程进行数值模拟，得到箱层轮聊和箱层质量，以及计算区域的温度和速度 分布。模拟所得霜层轮廓m已有文献结果对比良好。参考文献1 近藤智恵子，千秋隆雄，小山繁.2008年度冷空講論8795,東京(2008)2 ansys, fluent 6.3 user's guide (2010)3 b. na, rl webb, new model tor frost growth rate, international journal of heat and mass transfer 47(2004)925 - 9364 ashrae, 2001 ashrae handbookfundamentals, the american society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers, inc., atlanta, georgia 20015 kristi