CFD理论|直接接触传热
导读：1.直接接触换热与间壁式传热；2.单气泡与液体直接接触换热传热传质特性；3.气泡群与液体直接接触换热传热传质特性。
直接接触换热是指温度不同的两种介质直接接触进行热量交换。间壁式换热主要通过热对流和热传导换热, 影响其换热效果的因素主要是在热对流过程中。由于壁面产生污垢增大热阻，并且且壁面形状会对流体温度和速度造成损失，因此相比于间壁式换热直接接触式换热更受青睐。直接接触换热与传统的间壁式换热相比有以下优点: 不易结垢、不易腐蚀、传热系数高、结构简单且可在低温下进行、运行和维修费用低。直接接触式换热被越来越多的应用到各种工程中，如海洋能转化、海水淡化、地热发电、中低温能源回收和废水处理等。直接接触式换热的方式多种多样：根据分散相有无相变分为：有相变的直接接触式换热和无相变的直接接触式换热两种。根据分散相与联系相的关系分为：相互溶解的两流体间的直接接触式换热和不会相互溶解的两流体之间的直接接触式换热。
直接接触换热主要有两个研究角度：第一，分散相单气泡与液体直接接触换热；第二，分散相气泡群与液体直接接触换热。由于实际过程中，有部分接触传热过程也会包括传质过程，因此我们将在后文简单描述直接接触传热传质特性。研究单气泡的传热传质特性，有助于我们从较微观的角度揭示直接接触换热的传热传质特性及规律。
气泡与冷却水直接接触换热，液池中的冷却水被加热至稳定蒸发状态一般要经历以下几个阶段:
（1）在刚进入液体时，由于气泡中所含的蒸汽浓度大于气泡表面液体温度对 应下的饱和蒸汽浓度，因此蒸汽由气泡内部向表面扩散。在气泡表面，蒸汽被冷却水冷凝而放出的汽化潜热被冷却水吸收而使其升温。同时温差的存在，使得气体向冷却水传热而降温。此时的传质与传热方向均由气体向冷却水传递。当冷却水温度升到 时，界面与气泡内的蒸汽浓度相等。（2）随着冷却水温度的继续升高，使得气泡表面的蒸汽浓度大于气泡内部的 蒸汽浓度。这里称 为冷却水蒸发起始温度。蒸汽通过气泡表面向气泡内部扩散，冷却水开始蒸发。这时，气泡传给冷却水的热量一部分用于冷却水的温升， 部分用于补偿冷却水蒸发所消耗的汽化潜热。此时的传热与传质方向相反，冷却水在升温的同时又蒸发。（3）当气泡传给冷却水的热量全部转变成为冷却水蒸发的汽化潜热时，冷却 水温度不再升高而达到稳定即 此时冷却水处于恒温蒸发阶段。由于气泡界面蒸汽浓度仍大于气泡内蒸汽浓度，冷却水继续向气泡扩散蒸发。由于热量的传递，气泡温度继续降低，并逐渐接近液体温度。通过研究发现，在气体穿越液池的过程中气液间相互扰动，两相之间存在着强烈的动量交换过程。在池内湍流扰动的影响下，液池内气泡发生破碎、聚并行为; 同时，由于气体温度仍然高于液池内液体的饱和温度，故在气体穿越液池的过程中，气体通过与液体的直接接触将热量传递给液体，对液体加热升温，气体则实现进一步的冷却降温。两者之间存在着热量的传递过程; 在气液界面，界面上的液体被加热蒸发，产生的蒸汽扩散到气体中。在液体内部, 由于气液两相强制对流换热，液体温度升高并汽化形成液体体内沸腾。可见，气液两相系统间直接接触的动量、热量及质量三者同时传递是高温气体穿越液池过程中存在的一个显著特征。从热力学角度来看，气体穿越液池的流动过程是多相流动、传热及传质同时发生并相互耦合、交叉影响的复杂不可逆热力过程。在气体穿越液池的过程中，气液间相对流速较高、扰动剧烈以及气泡的破碎、聚并行为，使得气液界面的波动变化非常剧烈。气液两相之间不固定的界面 变化增加了获得气液间热质传递规律的复杂程度。值得指出的是，气液两相间 的动量、热量及质量都是通过两相交界面进行传输的，因此气液两相间界面面积 的准确性决定了气液间传输量预测的合理性。气液间热质同时传递模型的计算， 需要添加不同的源项形式， 如动量交换源项、能量交换源项及质量交换源项等。合理正确地描述气液相间界面上的热量、质量及动量转换关系是成功模拟气液两相间热质同时传递过程的关键。高温气体穿越液池过程中的气液直接接触沸腾传热过程和机制非常复杂，其中包括气泡的上升运动过程，由于气泡聚并、破碎及热质传递中的气泡尺寸变化过程以及气泡运动和尺寸变化过程中的界面行为等问题。液池内气泡的运动、气泡的尺寸和界面形态是揭示气液直接接触沸腾传热机理时必须解决的问题。而在气液流动和气液沸腾传热之间耦合进行的过程中，随着气泡的界面形态和几何构型的变化，由此决定的界面行为并非是状态参数，而是一个随着过程的进行而发生变化的非确定性变量。界面行为是与气液流动及气液间热质传递紧密相连的，因此建立将三者紧密相连的、能准确预测和定量化描述其间传递特征及演化过程的理论模型，是揭示高温气体穿越液池过程中的气液的动量、热量及质量同时传递机理的关键。参考文献：《气固两相穿越液池过程中的多相流动与传热传质》
来源：BB学长
