本期，我们将采用螺旋微肋管和直管两种管型进行对比研究管中凝结换热现象及规律。在研究管内凝结的同时，对新型换热器的强化能力进行对比验证。力求为新型混合制冷剂 R32 /R290( 68 /32)研究提供一些基础数据支持。 本文使用 SolidWorks 画图软件，通过小口径水平直管参数( 外径7 mm，内径6 mm，长 500mm) ，进行 1: 1 建立基础模型。图 1所示，小口径水平直管的直观局部图。用ANYSY 自 带 的ICEM CFD 划分结构化网格。结构化网格相较于非结构网格，容易实现区域边界拟合，更适于流体和表面应力集中的运算，与实际的模型更接近。利用 Refprop9． 1 查询混合制冷剂的物性参数。
表 1 为不同饱和温度下混合制冷剂气液两相物性参数。本文利用 Fluent 仿真软件对管内模型进行计算。为获得准确数值，做出如下假设:( 2) 流体物性参数固定饱和温度下，不随温度变化而变化;( 4) 设置壁面热流密度为恒定值，假设不存在壁面滑移。本文采用稳态数值方法，且 Fluent 中选取VOF 模型进行求解，控制方程如下:
本文采用 Lee建立的冷凝模型，该模型中假设气液两相界面处于恒定温度( 即饱和温度T sat ) 。当液相温度高于饱和温度时，液相变为气相; 反之，气相变成液相。当液相温度低于饱和温度或蒸汽温度高于饱和温度时，通过气液两相界面的质量项为 0。图 1 中为流体管内流动的大致走向，设置了以下边界条件:
( 1) 流体介质采用新型混合制冷剂R32 /R290( 68∶32) ，质量流速入口进入( 入口温度为制冷剂的饱和温度) ;( 3) 壁面热水温度流失忽略不计，设置壁面热流密度为定值计算;( 4) 壁面设置为紫铜的物性参数，近壁面无滑移速度。选用 3D( 三维) 、Implicit( 隐式) 、Steady(稳态) 、Absolute( 绝对速度) 基于压力求解器; 比较选定 VOF 模型，SSTk～ω 湍流模型; 速度压力耦合采用 PISO 算法，压力设为 PRESTO，体积分数设置为 QUICK，其他均设置成二阶迎风式方程。为了得到准确结果，收敛残差则设置成10－7。为了证实所用模型的可靠性，在做大量工作之前，本文在相同工况下，采用实验值与模拟仿真结果对比的方式进行验证。此处工况为混合制冷剂饱和温度为 40 ℃，边界条件设置为固定温度壁面，改变入口质量流量，观察凝结换热系数变化。
由图 2 可见，凝结换热系数随着质量流速的增加呈上升趋势。实验与模拟之间的误差范围在10% 以内，符合模拟数值准确性的要求范围。由于科学的严谨性，本文也对网格的质量进行测试。本次模拟将水平直管划分为 52 400，159 380，421 456，732000 四种数量的网格，划分结构如图 3 所示。
将不同的网格分别代入case 中，将模拟中的凝结换热系数与实验进行对比。选取最接近实验值的网格，进行下述一系列的工况模拟。对表2中数据进行对比，最后选定732 000数量的网格。
图 4 为水平直管中，在工况 ( 质流密度为250 kg / m 2·s，热流密度为－5 kW/m 2，饱和温度为 40 ℃，入口干度为 0.62) 下，距入口不同距离截面的气相体积分数分布图。由于重力因素，液相主要集中于管截面下部。
流体气相密度小，在流速较低的情况下，气相的浮升力较大，从而向上运动。从图中可以清晰看出，截面若距离入口处越远，其含气率越低，液相比例逐渐增加。液膜现象与 Col所做的凝结仿真现象相似。图 5 为管内改变质量流速( 热流密度及饱和温度恒定) 时，小口径光管中凝结换热系数随着质量流量和干度的增大而增大，趋势与Minkow-ycz 等人的模拟结果类似。在低干度区域，对凝结换热系数影响相对较小。原因是入口质量流速增加，直接导致管内液体与管中内壁间的相对流动速度加大，管中内壁间的对流换热能力被强化。在高干度区中，管中流型以环流为主，液相占比随着凝结换热过程时长增加。液相与管中内壁接触部分液膜厚度较小，因此产生的对流换热热阻也相对较小。
高干度区域中气相在管内占比大，气液两相之间接触面积相对较大，该过程中产生的气液界面波动较为剧烈; 同时，气液两相之间的剪切力随质量流量增加而增大，呈正比关系。从而导致了液相与管壁接触部分的液膜厚度减小，换热热阻被削弱，对流换热能力增强。在低干度区中，主要由分层塞状流和分层波状流构成。此时，液相与管壁接触的液膜厚度较大，对流换热热阻较大。由于液相占比相对大，气液两相之间的接触面积较小，因此，质量流速增大而产生的气液界面扰动影响被削弱，对对流换热的影响微弱。图 6 为管内改变壁面热流密度( 质量流量及饱和温度恒定) 时，小口径光管中凝结换热系数随着壁面热流密度的增大而增大。是由于壁面热流密度的增加，导致管中液体与壁面之间的对流换热被强化，管内流型交换时刻延迟。在低干度区域，液相占比相对较大，增加壁面热流密度致使液相从环流流型向分层波状流的转变时刻推迟。液体与管中内壁之间的液膜厚度增加速率也因此降低，环流流型覆盖的区域面积增加，换热段管内热阻降低，凝结换热能力从而被强化。而在高干度区域中，壁面热流密度变大会使混合制冷剂的成膜时间推迟，致使凝结换热系数下降。
3． 4 饱和温度 T sat 对凝结化热系数的影响 图 7 为管内改变饱和温度( 质量流速及热流密度恒定) 时，小口径光管中凝结换热系数随着混合制冷剂饱和温度的增大而轻微增大。上述液相物性参数中，可知液相密度随着饱和温度升高而减小，气相密度反之增大。保证其他因素一定时，液相密度的降低会导致液体的流动速度增加;气体流动速度降低，致使气液两相之间的相对速度减小。
图 7 所示在中干度区域中，混合制冷剂的饱和温度对于凝结换热系数的影响较小。这是因为在此种工况下，小口径光管内主要以环流流型为主要构成因子。气相占比相对较大，气液两相之间的对流换热占据主导地位，因为气液两相之间的相对速度下降，会使气液之间的分界面扰动幅度系数降低。这样导致的结果有管内热阻增加、对流换热能力降低，从而使得混合制冷剂的凝结换热能力被削弱。在低干度区域中，小口径管内混合制冷剂的流型主要为分层塞状和分层波状流两种，在此过程中气液两相之间的接触面积相对较小。气液两相间相对速度减小，使得气液间的界面扰动对整体换热系数的影响较小。
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