管内鼓泡吸收过程中气泡群运动变形与热质传递相互作用机理的研究

Absorption capacity of bubble absorber determines its structure and size, which is one of critical factors affecting absorption refrigeration system. In this project, visual experimental and numerical simulation method have been used to investigate the interaction mechanism between dynamics behaviors of the bubbles swarm and heat mass transfer during bubble absorbed in tube. Firstly, the rules of bubble swarm flow pattern, such as form, coalescence, breaking and dissolving in a bubble absorption tube are studied. And heat and mass transfer characteristics of bubble swarm are obtained. Secondly, the effects of different inlet vapor-liquid volume flow ratios, different inlet temperature and different structure parameters of bubble absorber on bubble dynamics behaviors and heat mass transfer are studied. Then, the heat and mass transfer coefficients regarding to structure parameter of bubble absorber are determined, and their non-dimensional relation expressions under different conditions are given. Finally, the interaction mechanism between moving and deforming of bubbles swarm and heat mass transfer during bubble absorbed in tube can be explained. The research results can provide useful design formulas and valuable data. The results also can lay the foundations for research and development of the compact vehicle waste heat absorption refrigeration system.

鼓泡吸收器的吸收能力决定其结构尺寸，是吸收式制冷系统能否小型化的关键因素之一。本项目采用可视化实验结合数值模拟方法对管内鼓泡吸收过程中气泡群运动变形与热质传递相互作用机理进行研究。首先，研究鼓泡管内气泡群的形成、融合、破裂、湮灭全过程的流动形态变化规律，同时获得管内鼓泡吸收过程中制冷剂蒸汽与吸收溶液的传热传质特性；其次，研究不同入口气液体积流率比、不同入口溶液温度和不同鼓泡吸收器结构参数等对吸收过程气泡群流动形态变化及热质传递特性的影响；然后，确定与鼓泡吸收管结构参数有关的各流型管段局部对流换热系数和传质系数，以及全管段平均对流换热系数和平均传质系数的无量纲关系式；最终，阐明鼓泡吸收器内气泡群运动变形与传热传质的相互作用规律，揭示二者之间相互作用的机理。研究结果能够为轻量化，紧凑型空冷翅片管鼓泡吸收器的设计提供实用的计算公式和基础数据，并为车用废热制冷系统的研发奠定理论基础。

本项目以鼓泡吸收器中的气液两相流为研究对象，采用实验及数值模拟的方法对管内鼓泡吸收过程中气泡群运动变形与热质传递相互作用机理进行研究。首次提出一个可以描述气泡群流动和传热传质特性的新格子Boltzmann相变模型。应用该模型对气泡群在鼓泡吸收器内的动力学行为进行数值研究，对流场、温度场和浓度场的演化进行预测。通过对气泡运动变形及物理场的分析，揭示了管内鼓泡吸收过程的传热传质机理，即鼓泡吸收的热质传递过程受气液界面附近的温度梯度和浓度梯度的影响，温度梯度和浓度梯度越大，鼓泡吸收能力越强。项目搭建了鼓泡吸收可视化实验台，以R134a-DMF为工质，研究了鼓泡管入口溶液温度、入口气液流速比对管内气泡群流型变化和动力学行为的影响。通过实验研究获得鼓泡管内气泡群流动形态变化规律与特征。即溶液温度对段塞流转变为泡状流的吸收长度影响较大，进而影响吸收高度；而气液流速比对搅拌流转变为段塞流的吸收长度影响较大，进而影响吸收高度。本项目阐明了气泡群运行变形与热质传递相互作用的机理。即气泡上升形成的尾迹对周围流场和其它气泡造成影响，影响程度取决于气泡大小、相对位置和距离，体积较大的气泡总会对距离较近、位置较低的小气泡造成较大的影响。因此气泡群上升时流场变化的剧烈程度直接影响鼓泡管内的温度分布和浓度分布，温度梯度和浓度梯度进而又影响气液两相流的传热传质速率。反之，热质传递速率对气泡上升流型的变化会产生影响。本项目的研究成果可为鼓泡式吸收器的设计提供理论依据，为吸收式制冷系统的实际应用奠定基础。