冰浆是一种冰粒直径不大于1×10-3 m的冰水混合物,具有可流动、可泵送的特点,因此,可在集中供冷领域作为新型载冷剂使用;冰浆在换热过程中伴随相变,潜热高达3.35×105 J/kg,能量密度较高,因此在动态冰蓄冷领域内具有较好的应用前景。然而,由于冰浆存在流动换热规律不确定等难点问题,其应用程度受到很大限制。研究流动、换热特性的目的在于减小流动中能量损失、提高换热系数。本文立足加快冰浆的实际应用,针对冰浆在管道中的流动、换热问题,从数值模拟和实验分析两方面展开研究。论文主要内容如下:(1)数值模拟:包括网格划分和流体计算两部分。首先,对管道进行六面体结构网格划分,网格质量在0.7以上。其次,采用Fluent软件进行流体计算,两相选用Euler-Euler双流体模型,将冰粒作为颗粒相处理,颗粒直径设定为1×10-4m。换热模拟考虑冰粒的相变特点,编写UDF程序,导入求解器。以含冰率、流速和管径为变量,模拟冰浆在直管、90°弯管和三叉管中的流动情况,得到压降曲线、温度分布云图,并进行比较分析。流动模拟结果表明,压降随着含冰率与流速的增大而增大,随着管径增大而减小。与实验数据的误差不超过20%;阻力部件处出现压力最低区,表明压降损失剧烈。换热模拟结果表明,在阻力部件处冰浆温度最高,或焓值最大,则能量损失严重。(2)为预测和防止冰堵风险,对直管内冰粒浓度分布进行数值模拟,弥补了实验手段在该方面研究的不足。模拟得到管道内冰粒、水的分布云图受流速、含冰率的影响规律。绘制最值浓度-速度曲线,由此提出第一临界速度(约为1~2m/s)和第二临界速度(约为10m/s)的概念,介于两临界速度之间即为不发生冰堵的安全速度。为冰堵风险分析提供了一定的参考和依据。(3)搭建冰浆流动换热实验装置,包括三部分:冰浆制取装置、流动换热实验段、数据采集系统。流动实验:以管道形状、流速和含冰率为变量,分析压降的变化规律。结果表明,随着管道形状的阻力程度的增大,流动压降呈非线性增加,其中三叉管压降最大,弯管次之,直管最小。而在同一形状的管道内,流动压降随着流速和含冰率的增大而增大。以上结果与模拟结果较一致。换热实验:研究直管在定热流边界条件下,换热温差、表面换热系数随热流密度、流速变化的规律。结果表明,换热温差随着流速增大而减小,随着热流密度的增大,先升高后降低;表面换热系数随着流速和热流密度的增加而增加,且随着热流密度增大,换热系数的增长率变大。