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计算流体力学--多相流仿真专题

发表于:2018-11-29 11:44

第14章 结露的模拟(1)

在气液二相流的仿真中有时会涉及结露(或蒸发)的模拟。譬如,在室内的窗户或墙壁上凝结而生成的露珠,除霜器(其功能为去除车辆玻璃窗上因结露而产生的雾霭)等等,都可能成为模拟的对象。

在模拟结露时,需要考虑空气中水蒸气的量(也就是湿度),因此对气相一侧的流体作模拟时,必须把水蒸气作为一个变量。而且,根据壁面附近空气中的绝对湿度(水蒸气重量与干燥空气重量之比),与处于壁面温度时的饱和绝对湿度(简称为饱和湿度)相比较,从期间的差可以计算出在壁面上的结露或者蒸发情况。如图14.1所示,当空气中的绝对湿度比壁温下的饱和湿度大的场合,结露就以某个速度(单位为千克/(2秒)(kg/(m2s)))发生,同时散发出2500千焦/千克(kJ/kg)份额的潜热(这里是凝结热)。反之,当绝对湿度小于相应的饱和湿度时,则会以某个蒸发速度(或者说是负的结露速度)发生蒸发,同时吸收相同份额的潜热(此时是汽化热)。然而,为简单起见,即使空气中的绝对湿度超过了饱和湿度,模拟中也不考虑水分在空气中凝结成雾。而且,假定在壁面上凝结而成的水分是静止的,即不考虑其滴落或流动。

图14.1 结露速度

接下来介绍一个仿真实例。这一次将模拟电热式除霜器,它是一种用来对铁路车厢驾驶室的窗玻璃除雾的装置。现在的铁路车厢,其驾驶座前的整张玻璃窗都装有除雾系统,而以前传统的铁路车厢,只在驾驶座前玻璃窗的一部分安装了电热式除雾器,如图14.2所示,仅除去这部分玻璃上的雾霭。

图14.2 铁路车厢

模拟对象为图14.3中示意的驾驶室。驾驶员的体表温度定为36℃,他产生的水气量假设为9.0×10-6 千克/(米2秒)(kg/(m2 s))(相当于50毫升/小时( mL/h))。在车厢外侧,驾驶室玻璃窗的表面温度定为-5℃,驾驶室门的温度则为20℃。其它壁面的边界条件认为是绝热的。驾驶室内的初始温度设为20℃,初始湿度定为55%的相对湿度。另外,还要考虑到因温度差而产生的浮力。

图14.3 驾驶室示意图

图14.4是电热式除霜器示意图。驾驶室窗玻璃的一部分围以框架,框架内的玻璃装有电热丝,为了不让加热了的空气逃逸,还安装了双重玻璃结构。在这一次模拟中,设定有四根电热丝,在模拟开始90秒后通电发热,每一根电热丝的发热量在10秒内达到50瓦(W),以后就保持这样的发热量。

图14.4 电热式除霜器

图14.5是从驾驶员一侧所观察到的,驾驶室玻璃窗表面的温度分布图,图14.6则是从车厢外侧看到的,驾驶室玻璃窗表面的结露量分布随时间变化的情况。从模拟开始后到90秒的期间内,驾驶室玻璃窗表面上产生结露,此后伴随着电热丝的发热,结露渐渐被去除,整个过程历历在目。再者,图14.5 及图14.6是以20倍的快镜头摄制成的视频。

图14.5 温度分布图

图14.6 结露量的分布

 

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