污染过程的数值模拟外文翻译资料

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污染过程的数值模拟

法赫米卜拉欣 沃尔夫冈·奥古斯丁 马提亚

摘要

传热面污染造成工业中严重的技术和经济问题。这项工作的目的是使用CFD代码FLUENT模拟上述污染过程。获得的数值结果有助于设计和运行热交换器。

基于沉积和去除质量计算的模型[S.克劳斯，国际Chem。恩格格33（1993）]，模拟了传热表面上硫酸钙对氟化物的结晶结垢。因此，不考虑几乎所有结垢过程发生的诱导期。

实际晶体生长的模拟需要几何流动模型的连续变化，因此相当大的计算量。为此，模拟了晶体生长。该数值简化使得能够获得污垢过程的不稳定模拟，以及由于连续晶体生长而导致的流体和温度场的时间变化的现实描述。

基于Hirsch的实验结果[M. Bohnet等人，在：T.R. Bott等人（Eds。），Understanding Heat Exchanger Fouling and its Mitigation，United Engineering Foundation and Begell House，New York，1997，pp。201-208]，开发了一种能够计算结垢层密度的模型，不仅如污垢层内的局部位置的函数，也是污垢层的时间依赖性总厚度的函数。此外，还开发了一种模型，可以在模拟过程中实现沿传热面的热流分布。这两种型号都能更准确地描述复杂的污垢过程。

数值模拟的结果是根据时间的函数预测污垢阻力，并计算污垢层内的温度分布。鉴于在传热表面的结垢过程中污垢过程的复杂性以及不是所有影响所使用的模型的事实都可以被认为是计算和实验获得的数据之间的一致性是令人满意的。

1.介绍

分析描述所产生的复杂组合,不同的污染机制还不可能模型开发布伦瑞克大学针对单一的污染机制,如结晶(图1)或沉积。这些模型都是添加到热的CFD数值模拟的代码和传质。一个快速和预测结果污染行为。

在初步计算中，研究了跨平板平行流动的简单情况。 使用这种简化在不同条件下的许多结垢实验被计算。使用测量CaSO4水溶液，作为验证数值模拟。

2.实验设置图。

图2是实验单元的示意图用于污垢实验。 实验的核心设置由三个测量部分组成。第二和第三测试部分是使用的环形试管用于参考测量。 第一个测试部分包括a板式换热器适合舒适更换其传热面。水的盐浓度硫酸钙溶液通过传导控制测量。

两台离心泵提供连续的液体流过系统。解决方案通过从储罐通过热交换器控制入口温度，然后到测量部分。过滤器避免颗粒和二次沉淀在试验段中成核，因为种子颗粒可以影响相当的成核行为。热度交换器保证测试时恒定的入口温度部分。液体流被分流并流到两者测量部分，每个配备有流量计和流量控制器。经过两次测量两个部分流被重新组合并反馈到储罐。由于液体体积较大在储罐中，浓度的下降在整个污染期间，溶液中的盐是相当的低。定期加入硫酸钙半水合物储罐保持相对恒定的浓度。测量部分的热交换器表面是电加热允许在恒定热下运行助焊剂。

3.几何流动模型

几何流动模型如图1所示。 3代表对应于测量的矩形间隙污水测试单元第1节。关于流量的2D和3D模拟结果速度和表面温度分布差不多相同。 由于计算的努力和成本的CPU时间和内存的3D模拟非常高，流程被认为是二维的。

执行计算区域的离散化具有结构化网格。 在通道和管道的情况下流量大，主要流量变量大幅变化垂直于墙壁发生，结构化网格提供以下两个优点与非结构化相比网格[3]：

（1）结构化网格的方形单元使得稳定计算和更快的收敛。

（2）结构化网格允许宽高比高达10转化为节省电网，从而使计算机达到最大化容量。 这样的长宽比与非结构化栅格导致细胞的相当大的变形，因此模拟中的不稳定性和不准确性。

4.湍流模型和建筑的墙体区域

FLUENT提供了许多湍流模型的选择。最简单的“完整模型”的湍流是两个等式模型中的解决方案来自两个独立的运输方程允许湍流速度和长度尺度要独立确定。 k-ε模型属于这类湍流模型。健壮，经济性和合理的准确性湍流解释了他们在工业流程中的受欢迎程度和热传递模拟。他们是半经验的模型和模型方程的推导依赖于现象学考虑和经验主义。由数值模拟使用了可实现的k-ε模型。与标准相比，它具有以下优点模型：

（1）不仅适用于高雷诺兹数的可能性流量（Regt; 50000），但也有小雷诺数和瞬态流（2300 lt;Re lt;10000）。

（2）可实现的k-ε模型满足一定的数学模型对雷诺兹压力的约束，符合湍流的物理学。

湍流模型主要用于湍流核心流（即，在远离的区域中的流动墙）。 因此，需要考虑一个适应壁面流动（图4）。

有两种方法来建模近墙地区。 在一种方法中，粘度影响内部区域（粘性子层和缓冲层）未解决。 代替，称为墙功能的半经验公式用于桥接在墙壁之间的粘度影响区域全湍流区域。 在第二个模型中，命名为“两层地带模式”，墙壁功能完全相同放弃倾向于解决靠近墙壁的粘度区域一直到粘性子层。 在两面模型，整个域被细分为粘度受影响区域和完全湍流区域（图5）。

然而，墙壁功能方法是不够的低雷诺数（Re lt;10000）效应在整个流域中普遍存在的情况，因此墙壁功能的假设停止有效，这种情况需要近墙型号这在粘度影响区域中有效，因此整合到墙上。

5.模拟结晶

对于晶体生长的数值模拟是可行的流模型的几何必须是永久性的这个过程非常复杂，需要相当大的计算工作量。解决这个问题的办法由虚拟晶体生长的模拟提供，其原理如图1所示。

在图1的上部。 流道的高度用H代表。 We,o是平均入口速度。 t = 0时没有晶体层还没有成长。 平均流量传热面上方的速度Wo等于平均入口速度在一个真实的情况下，一个污垢层的厚度Xf在一定时间t后生长。 入口速度保持不变，等于入口速度在t = 0 时,We=We,0

然而晶体层上方管道内的流速增加，由于横截面变窄并基于计算连续性条件就变为：在虚拟晶体生长的模拟过程中入口速度根据计算值增加晶体层的厚度：因此，平均流速增加传热面随时间变化。的修改由于虚构，必须考虑水力直径横截面缩小。因此，足够现实上述流量和温度场的描述实现了虚构污垢层。的原则虚拟晶体生长可以用更详细的描述图1的流程图的帮助。 在模拟开始时，入口速度We,0定义为边界条件。流利的计算，基于这种速度等边界条件，流量和温度场。传热温度表面能够计算沉积和去除价格，即积累或从中移除的存款从污垢层单位时间的单位面积。在另一步骤中，总质量率计算为a沉积和去除质量差异.

在确定的时间t ∆t的每个表面积的晶体质量被计算为每个表面积的总质量的总和在时间t添加到新计算的质量率计算时间步骤∆t：在所有模拟计算中调整时间步长到∆t = 1 h = 3600 s，这足够短

描述污染过程。然后计算污垢层的厚度每表面积的总沉积物质量除以密度rho;f的污垢层：

5.1沉积质量计算模型

通过数值计算沉积物质量m·d体积和界面盐之间的传质阻力溶液/晶体层被考虑。因此集中在散装和层流边界层中的轮廓可以如图1所示。在第一步中运输钙和硫酸根离子从批量到界面的扩散。的质量传递过程是由浓度梯度引起的

在第二步中，离子被内置在晶格中。浓度梯度∆c2 = cf minus; cS负责用于建筑过程。 Konak的调查[4]显示表面反应的顺序对应于离子数(Ca SOminus; minus; 4 )参加结晶反应。因此，质量通量可以是计算如下：

kR是表面反应速率常数。可以计算使用Arrhenius方法：对有关的常数采取了以下数值反应kR0和反应活化能E [1]：Tf定义了污垢层的表面温度（图8）。 cS是饱和浓度并计算作为Tf的函数[5]假设所有的离子都运送到相中边界参与表面反应，方程式然后可用于计算质量率的运输和并入污垢层消除该阶段的未知浓度边界。方程组合（7）（8）导致用于计算沉积质量的模型方程率：

其中∆c是总浓度梯度：质量传递系数可以确定为一个函数舍伍德数和扩散系数（13）根据Lammers [5]的半经验方法是用于计算舍伍德号码：

以确定硫酸钙的扩散系数在水溶液中基于计算的计算模型Lammers [5]的研究成果。这个模型描述了扩散系数的依赖性两个参数：温度和浓度（表1）：

表格1用于计算扩散系数的模型系数方程 （16）

5.2用于计算去除质量比的模型

以下方法用于计算去除质量[6]：

平均流速w可以在晶体层以上用等式（2）。 P描述了晶间附着力。 K是等于的参数污垢层中的故障点数量。基于自己的Krause建议采用以下方法计算P / K [1]：rho;f是污垢层的平均密度。有可能确定为每个计算总质量的函数单位面积和计算出的污垢平均厚度xf层： （1 delta;·∆T）描述了温度应力污垢层delta;是线性膨胀系数和∆T污垢层中的温度梯度。两者都可以在模拟期间确定包括计算晶体层的厚度，调整的热通量和导热系数如下。根据Kr

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