污垢的研究方法

摘要换热器的运行过程中普遍存在污垢沉积的现象，因为污垢沉积现象从而在换热器表面形成了热阻，对换热器的性能造成了严重的影响，从而导致大量的能量浪费和巨大的经济损失。污垢的种类多种多样，同时污垢的形成过程包括多种物理化学反应，造成形成机制非常复杂。本文通过实验以及数值模拟的方法，对在换热面上的析晶污垢形成过程的影响因素进行系统的分析。据析晶污垢的沉积过程，结合连续性方程、动量方程、能量方程，把污垢的沉积过程通过Fortran计算需要进行描述，编写出污垢的沉积量的计算程序，同时通过数值模拟软件进行计算。通过改变圆管、矩形通道的入口流速、浓度、壁温以及入口温度，对污垢沉积受到流动工况的影响进行研究关键词：析晶污垢；换热表面；数值模拟AbstractFouldepositionisacommonphenomenonintheoperationofheatexchangers.Becauseofthefoulingdepositionphenomenon,thermalresistanceisformedonthesurfaceofheatexchangers,whichhasaseriousimpactontheperformanceofheatexchangers,resultinginalargeamountofenergywasteandhugeeconomiclosses.Therearemanykindsofdirt,andtheformationprocessofdirtincludesmanykindsofphysicalandchemicalreactions,resultinginaverycomplicatedformationmechanism.Inthispaper,throughexperimentsandnumericalsimulation,theinfluencingfactorsofcrystallizationfoulingformationontheheatexchangesurfacearesystematicallyanalyzed.Accordingtothedepositionprocessofdevitrifieddirt,combinedwithcontinuityequation,momentumequationandenergyequation,thedepositionprocessofdirtneedstobedescribedbyFortrancalculation,thecalculationprogramofthedepositionamountofdirtiswritten,andthecalculationiscarriedoutbynumericalsimulationsoftware.Bychangingtheinletvelocity,concentration,walltemperatureandinlettemperatureofroundtubesandrectangularchannels,theinfluenceofflowconditionsonfoulingdepositionwasstudied.Keywords:devitrifyingdirt;Heatexchangesurface;numericalsimulation第一章绪论1.1课题研究背景和意义换热器也可以称为热交换器，这是在工业生产的过程中能够实现流体进行热量交换的一种设备，这种设备主要是在供暖通风、石油化工、动力工程和制冷低温的过程中能够广泛应用，同时也是工业生产过程中的重要组成的部件。但是换热面的结垢问题一直都没有得到很好的解决，十分严重地阻碍了各种行业的发展和进步。当然污垢的沉积对于换热器的性能也是十分严重的，同时也会给各种行业造成十分大的经济损失以及能量的浪费。污垢就是一种十分广泛地存在于自然界、日常生活以及各种各样的行业中的固体沉积物。当然沉积的污垢对于换热设备的影响和危害都是非常大的，其中有以下几个方面的危害：削弱传热的效率。因为沉积污垢的导热系数是十分小的，所以如果污垢在换热面上沉积的话，这就会是使得附加热阻就会形成，最后这会对于换热器里面的热量传递造成十分严重的影响，这会降低传热的效率。功耗的增加。沉积的污垢在流动区域内机会造成流动截面的不断缩减，这对于一定的压力以及沿程造成损失，这也会使得流体的运输功耗的增加。降低换热设备的安全性以及缩短换热设备的寿命。因为沉积的污垢会造成能量的不断聚集，这对换热设备造成局部的过热以及超温，同时就会记急剧降低机械性能，最后就会造成爆管、鼓包以及泄漏安全事故。此外，沉积的污垢也会对于换热面的化学腐蚀不断加快，在短期内造成换热面穿孔，导致换热设备的工作年限缩短，更有可能会使得整个设备报废。（3）降低换热设备的安全性以及缩短换热设备的寿命。因为沉积的污垢会造成能量的不断聚集，这对换热设备造成局部的过热以及超温，同时就会记急剧降低机械性能，最后就会造成爆管、鼓包以及泄漏安全事故。此外，沉积的污垢也会对于换热面的化学腐蚀不断加快，在短期内造成换热面穿孔，导致换热设备的工作年限缩短，更有可能会使得整个设备报废。

（4）增加额外费用。换热器设计的方法采取的是冗余设计方法，这个设计方法解决了沉积污垢对于换热器造成的影响，但是这会使得设备原料费用以及加工费的增加；定期地去除污垢是能够在非常短的时间内解决了换热设备的效率问题，但是这是没办法得到根本的解决的，因为长期地去除沉积的污垢就会降低生产能力以及质量，所以就会使得换热设备的维护运行费用的增加。

21世纪就是一个能源危机的世纪，世界各国都已经开始制定了不同的战略方针，用来应对21世纪的能源危机。国民的经济基础主要是能源，所以我国在“十一五”期间提出了“节能减排”这个方针措施，以此来加强科学技术的研究发展，不断提高能源的利用效率。在换热器上的沉积污垢降低了换热器的传热效率，直接损失和浪费了大量的热量。通过上面的因素可知，研究污垢的沉积机理是能够对在换热设备上沉积污垢的预防、抑制、沉积、清理是具有十分重要的指导意义的；同时也能够使得换热器的换热效率的提高，也能够减少能源的浪费；此外对于建设投资节约型社会具有积极的响应。沉积污垢的机理研究一直困扰着各个行业发展，对此人们开始投入大量的资源对其进行探索。如果能够了解污垢的沉积规律，这会对于工业设计的污垢的预防、抑制以及清除是具有重要的指导的，同时会减少能源的损失以及经济损失。所以对于污垢的沉积过程的研究是十分紧要和具有重大意义的。1.2研究现状在以往的数十年里，一些国内外的学者已经对污垢的沉积过程进行了很多研究，分别从溶液化学、污垢层的表面特征以及运行条件这方面入手研究的。另外对于污垢的预防、抑制以及清除等方面也进行了深入的研究，收得了不错的效果。但是因为污垢沉积过程非常复杂，污垢的形式更是多种多样的，所以当前所取得的研究成果相对来说是非常小的，也就是说还没有找到在换热设备中消除污垢的方法。当前，在国内对颗粒污垢、析晶污垢、混合污垢以及微生物污垢在各种各样的换热器内的形成以及抑制都有不一样的实验研究。于丹等根据所改变的循环水的速度、温度、硬度以及螺旋槽的结构，对在六种螺旋槽管内的碳酸钙污垢的沉积情况进行了研究。得出的结论分别是:温度跟污垢热阻的变化趋势是相同的，另外水质的硬度跟污垢热阻的变化趋势也是相同的。槽管跟螺旋的几何参数对污垢热阻的影响，另外总结出了小螺距大槽深的结构对于污垢沉积的减少是有利的这一结论。刘震通过实验的方法，对改变循环水的温度、速度、水质的硬度以及在螺旋槽管的沉积情况，另外使用了函数单调性的方法对污垢热阻跟随速度、温度、水质硬度以及在螺旋槽管的污垢沉积的变化情况进行了总结。徐志明以实验的方式，分别研究了钛管、铜管、横纹管以及交叉缩放椭圆管的析晶污垢的沉积特性；另外也研究了圆管以及弧线管的微粒污垢的沉积特性情况。研究板式换热器、交叉缩放椭圆管以及铜管的微生物污垢沉积特性情况；另外研究了不连续双斜向内肋管、圆管以及缩放管的混合污垢沉积特性的情况；研究板式换热器内的污垢热阻跟运行参数的相互关系。以上的研究不仅获得了各类污垢的沉积特性的情况，同时也得出了根据污垢沉积结果总结出了各类的换热器管污垢沉积前后的传热特性，另外还得出了强化换热器对于光管的抑制性能的影响。陈永昌等通过实验方式对换热面污垢沉积特性受到射流冲击的影响，对于循环水在不同硬度的情况下，三种换热器表面污垢热阻的变化情况进行了研究。徐升华在粒子的运动以及碰撞上，对于胶体粒子聚集行为受到污垢粒子的布朗运动、重力、剪切流、流体动力学作用等原因影响进行了研究。王补宜通过实验方式研究了不相同颗粒、不相同的基液制备的悬浮夜稳定性。深入研究了悬浮液的稳定性受到颗粒等效直径、基液密度、基液动力粘度的原因的影响。刑晓凯使用引入修正系数和修正值的方式，对恒定壁面温度污垢热阻的计算进行了改进，使得在实验过程中的污垢热阻的检测特性精度有了很大提高。张仲彬在对混合污垢沉积特性研究的基础上，通过实验数据对污垢沉积和诱导期受到换热表面以及流动特性的影响进行了评价。

目前国内有大量是跟化学和物理抑制污垢技术的研究，在这里面有全贞花对比了各类物理抑垢技术。王春明和邵兵华对使用了低压静电技术对于析晶污垢、颗粒污垢以及两者的混合污垢的阻垢效果进行了研究，通过实验研究就可以知道，恒定电压直能够很好低抑制析晶污垢另外消耗的功率仅为2.2w。而且这项技术也能够很好低抑制氧化镁颗粒污垢，但是不能够很好地对于二氧化硅的颗粒污垢抑制。另外王春明也对高压静电场对于污垢抑制技术进行了试验研究，根据试验的结果分析知道，高压静电场对于析晶污垢的晶体的结构变化是从致密型到松散型的，最后得出结论就是这个方法如果在高流速的情况下是能够起到很好的抑制作用的。陈永昌与李兵通过实验研究知道，如果在循环水中使用了膦酰基羧酸共调聚物与聚天冬氨酸这两种有机物，就能够很好地抑制析晶污垢，通过研究表明如果是低于60℃的流体，上面这两种药品的抑制效果是比较好的。赵阳研究了超声波对于污垢的抑制效果。如果是比较高的温度或者是比较高硬度的水质，那么这技术的抑制效果是比较明显的。通过实验研究得出40千赫对于污垢的抑制效果没有28千赫的效果那么好。王建国对于频率是1.25千赫以及1.75千赫的电磁波对于碳酸钙析晶污垢的抑制特性进行了研究。

paakkonen等对碳酸钙析晶污垢的热阻的测定进行了分析，同时对不确定性的热阻检测过程进一步深入分析研究，知道了在实验检测碳酸钙析晶污垢热阻的过程的不确定性的因素。Janabi等对于具有v型纹理的不锈钢表面的硫酸钙析晶污垢的污垢沉积特性情况进行了研究，分别是在具有纹理与光滑的换热器表面上进行的实验，在这当中的v型纹理结构包括是纵向排列和十字交叉以及二者混合纹理的。Basim在对于盐溶液的温度以及冷却水流动速度的条件下污垢沉积的改变情况进行了不同路径的研究，通过研究可以知道，如果提高管道壁面温度那么是能够减少污垢的沉积的，如果加大热流体的雷诺系数那是可以使得污垢热阻减少的。Vincent通过对于假设线性分布的分析明确了热阻的线性分布。Arsenyeva通过污垢受到板式换热器结构参数的影响的分析，总结出了污垢跟随时间变化的方程式。Beal在污垢颗粒的形成过程进行了重点的研究，经过研究可以得知湍流扩散、布朗运动、惯性力以及重力都是颗粒污垢沉积的主要机理，同时也知道颗粒污垢的沉积量会受到流体介质粘性的影响。Henry经过实验研究表明有三种相互作用力存在于颗粒污垢的沉积过程中，这三种作用力分别是颗粒与壁面之间的作用，颗粒和流体之间的作用以及颗粒和颗粒之间的相互作用。Chamra与Webb对在强化管中液测颗粒污垢的形成进行了研究，在惯性机制与扩散机制的基础上提出了半理论模型，同时对比较大的颗粒半径分布以及浓度分布范围进行了预测。Yiantsions通过实验研究得到了在平行班通道内的微米颗粒污垢的沉积特性，同时也对微米颗粒污垢对流动液体的化学物理特性以及流动之间的关系进行了研究。Stergios等通过实验研究了平板表面的微粒，另外对化学物理的过程以及流动介质的流动特性进行了分析，最后得出污垢的生成是会受到微小颗粒的粘性的影响的。Bott总结了在循环水中的多种微生物在换热表面上生成的生物膜的过程以及机制。最后得到了生物膜的增长以及稳定性和流动液体的温度、速度以及粒子的相互关系。Vrouwenveldr经过实验研究证明，因为在通道的微生物可以连续得到需要的养分，从而在壁面堆积了大量的微生物污垢，进而就对通道里面的流体的压降以及流速。总结得到了如果想要抑制通道内的微生物污垢不断堆积，那就必须要先控制微生物流入需要的养分，然后再对通道内的流动参数进行严格的控制。ManonIarakis通过实验研究发现对于微生物污垢的生成的主要原因并不是生物膜上的正常压降的变化，然而决定微生物污垢生成的主要原因是微生物的总数以及ATP。Swartzel把牛奶当作流体的时候。流体在管壳式换热器内的污垢沉积情况，通过试验可以得到了牛奶污垢热阻跟蒸汽温度和温度之间的相互关系。

1.4污垢的研究方法

国内在的一些学者对换热面的污垢沉积做了很多研究，另外还总结出了一系列的研究方法。人们对这些研究方法不断的创新和改善，使得其成为了具有科研意义的研究手段，这些研究方法分为三种，分别是:实际应用研究、实验室研究以及数值模拟研究。

实际应用研究就是对生活中的工业各种设备运行做模拟实验，这个方法的运行工况和实际工业工况是跟接近的，因此这个实验结果是有很好的实践指导意义的，然而这个研究方法需要投入大量的人力以及物力，需要的费用也很大。但是这个方法比实际应用研究方法不仅容易控制，而且也缩短了试验周期，同时对污垢机理的研究以及理解做了很大的贡献。随着计算机科学技术的发展和不断创新以及数值计算的不断改进，数值模拟也能够在污垢机理的研究上得以成功地应用。污垢的数值模拟就是把计算流体动力学和数学模型进行相结合，再通过计算机把污垢沉积过程中的温度场、流场以及浓度场做多场耦合处理，然后对污垢的沉积过程进行实验模拟。这个研究方法需要时间比较短而且成本低，受到越来越多的人应用，但是使用这个方法的前提就是需要大量的实验数据。因此，我们需要同时使用以上的三种方法对污垢研究过程中的污垢机理形成做研究，这样我对于换热器的传热受到污垢的影响才有更加全面的理解以及认识。 1.5研究内容

因为污垢的形成过程中包括了大量的化学变化和物理变化，所以污垢在换热表面的形成过程是非常复杂的。我们基本都是通过实验的方法来研究污垢的，因为污垢的沉积过程是非常缓慢的，所以实验研究需要很长一段时间，相应地对于污垢的研究很难做到非常全面。本课题基于总结析晶污垢模型，经过模拟的形式得到在不同的换热管道内部的析晶污垢的每一项结果，研究影响析晶污垢的因素。主要内容有:

1根据析晶污垢的沉积过程，结合连续性方程、动量方程、能量方程，把污垢的沉积过程通过Fortran计算需要进行描述，编写出污垢的沉积量的计算程序，同时通过数值模拟软件进行计算。

2通过改变圆管、矩形通道的入口流速、浓度、壁温以及入口温度，对污垢沉积受到流动工况的影响进行研究。第二章数学模型与计算方法的研究根据各守恒定律，需要分别建立能量方程、动量方程、连续性方程以及传质方程，同时需要将每个方程相互联立。以上的方程通用形式为：(2-1)对于每个变量的广义扩散系数和源项分别是：对于速度u,v,w:（2-2）对于矩形通道动量方程的源项是：（2-3）（2-4）（2-5）对于是圆柱形通道动量方程的源项是：（2-6）（2-7）+（2-8）（2-9）是按照实际的情况处理的，本课题没有工况热源对于C而言：（2-10）Sc如果按照实际情况处理，本课题的工况浓度就没有源项。对于K而言：（2-11）（2-12）2.2.1析晶污垢沉积过程物理模型含有钙离子的无机盐就是一种含有反常溶解度的微溶盐，因此，它的饱和溶解度是会随着温度的升高而降低。因为要考虑到所在的物理环境，壁面上以恒定的温度对于管道里面的流体进行加热，那么管道内的无机盐的饱和浓度肯定是会随着壁面上的距离的减小去降低，所以，使得壁面上的无机盐溶解度到达最小的值。下面以硫酸钙以及碳酸钙为例子，CaSO4反应是:CaCO3反应是：无机盐在壁面上和流体以晶体的形式析出来后，将会黏在换热面上形成污垢。因为晶体析出后，壁面上所对应的无机盐离子浓度就会减少一些。因此在接近主流区域和壁面区域之间就会形成浓度梯度，所以假设壁面上的溶液浓度为饱和浓度是CS。假设溶液里面的无机盐只有在壁面才能析出来，那么从主流区域到壁面只有传质过程。 2.2.2析晶污垢中表面沉积模型从形成析晶污垢的阴阳离子都是通过不断的扩散和对流的相互作用，都是从主流区运输到壁面附近出的。其浓度梯度传输动力是：（2-13）根据konsk的研究显示：流体溶液在换热表面上析出来的晶体的过程是跟换热面接近的溶液中参与化学反应的阴阳离子的数量是有着直接关系的，因此沉积率也可以表示为：(2-14)KR就是表面上反应速率的常数。但是可以使用Arrhenius这个方法来计算：(2-15)上式子中的KR0是反应常数，E则是反应的活化能：（2-16）（2-17）上面式子中的Tf是表示污垢层表面的温度。Cs是饱和浓度，则关于温度的函数是：(2-18)假设被需要传输到还热表面的离子都是参与了沉积反应的，那么往后需要将（2-14）和（2-15）联立起来，相应界面上的未知浓度Cf将会被消除后，沉积率则可以表示为：(2-19)上面式子中的就是总浓度梯度：2-20)上面式子中的sherwood数和扩散系数就决定了对流传质系数：（2-21）sherwood数由以下的半经验公式计算：（2-22）其中的雷诺数是:(2-23)其中施密特数是：(2-24)水的溶液扩散系数是由Lammers的模型来计算的。则这个模型会将扩散系数描述为温度与浓度的函数：（2-25）上面式子中的系数的取值如下所示：析晶污垢的剥蚀率模型是：（2-26）上面式子中的u是流体的平均速度，但是却是流体的主流速度。P表示晶体之间的附着力；K表示的是在污垢层内的错误点的数量，通常都是常数。（2-27）其中Pf表示的是污垢层的平均密度。表示的是污垢层内的热应力。表示的是先行扩散系数，表示的是污垢层内懂得温度梯度。由相关文献可以知道，CaSO4析出来的晶体的平均半径是36微米，CaCO3析出来的晶体的平均半径是7.43微米。2.2.4析晶污垢热阻洗净污垢的生长过程中，流动的通道内部的空间的相关数据也会发生相对应的变化。所以在模拟的过程中一整个流场的几何特性都需要进行相应的改变。本课题采用晶体层去描述洗净污垢的生长过程。下图是流道内部污垢生长的示意图，用R表示流道的半径。是出示入口的平均速度。在初始阶段，晶体层是还没有能够产生的，而且换热表面上的平均速度是等于平均的入口的速度的。在初始的时间段到下一计算时间点之间的时段内，入口的速度必须维持不变同时要等于初始入口速度，列如下所示：（2-28）图2-1模拟晶体生长原理演示如果在实际的情况之中，晶体污垢层的厚度的增长就是发生在一定的循环时间后面的，如图2-1左边的部分显示。但是对于实际情况的计算过程中，需要把模型改为晶体层生长来描述，列如2-1左边部分显示。如果随着时间的计算，析晶污垢将会开始慢慢生长，而且入口的横截面积也会减少，流动速度也会有一定的增长。同时根据连续性的条件，主流区的流动速度也会增大。在模拟污垢沉积的时间段内，入口速度大小是根据晶体层的厚度的值而确定的。（2-29）析晶污垢层的厚度是可以根据一整个通道内部的单位面积的沉积质量以及污垢层密度的主要关系去进行求解来的，如下式子所示。（2-30）因为析晶污垢层能够在换热表面上不断的生长，所以换热面上的平均流动速度一定要进行实时的修正，除了要做到以上的以外，还需要对流通的横截面积的变化对水力直径所产生的影响进行考虑。与此之外，因为污垢晶体层是属于导热的传热一种方式，这种情况和为沉积之前的对流换热是相差甚远的，因此还需要对析晶污垢层的热阻对温度场的影响进行考虑。到了这里为止，析晶污垢沉积之后面对速度场以及温度场的改变原因差不多了。在全部的数值计算过程中，最开始需要对流场、浓度场以及温度场去进行计算的。这样就能够把计算出来的速度、浓度以及温度代入析晶污垢沉积模型之中，计算出污垢的沉积率以及剥蚀率。析晶污垢的沉积率是指在单位时间内、单位面积内污垢层沉积和剥蚀共同作用的结果。它们的关系是沉积率与剥蚀率的差，如下表示:（2-31）在时刻，单位表面积的结晶量就是在t时刻的单位面积总量和在时间步长内计算出来的结晶量的和，如下表示：（2-32）因为在污垢的沉积过程中，初始阶段析晶污垢的沉积数据变化的幅度是比较大的，后面阶段的变化幅度是比较小的。所以，本课题在模拟过程中所采用的两种时间步长，在一开始的24小时的取值是600秒以及其余时间段的取值是3600秒。2.3网络划分与无关性验证2.3.1二维网格划分把模型去进行网络划分是计算区域离散化的首要步骤，它的本质就是使用一组有限个离散的空间去代替原本的连续的空间，离散化以后的空间网格以及时间步长，能够为后面的微分方程进行离散化求解做好一定的基础。本课题主要是采用控制容积积分的方法对微分方程进行离散化并且导出离散方程。根据被模拟的物理模型的特点，本课题所采用的结构挂网格来把计算区域进行离散化。第一，本课题的计算区域是规则的，所以选择结构化的网格很方便的。第二，跟非结构化的网格想比较，结构化的网格对于方程及离散化更加简洁。本课题所需要选择的区域离散化方法B作为区域离散化方式，首先需要的是定界面，然后在定节点位置。为了防止发生速度跟压力失偶的现象，本课题所采用的交叉网格去计算。在二维的交叉网格上，速度与压力就是分别能够储存在三套不同的网格上面的，如图a所显示，图中的网格分别储存的是浓度、温度以及压力等重要的标量信息，信息节点是储存在网格中心点上的。而图B是储存主流方向速度信息的网格，信息主要存储在压力控制容积的东面和西边的界面上。图C就是存储垂直于主流方向速度的信息网格，主要信息存储爱压力控制容积法人南和北面的界面上。可以从所示意的图上看出来，速度的矢量信息存储在一条线上的却不是在储存在一个点上的。在柱形坐标非均分交叉网格中进行模拟过程，其中压力和速度的计算中是使用速度和压力耦合的SIMPLER算法的。为了使得壁面上的沉积污垢的计算大大提高准确性，本课题在原本的网格划分的密度的一定基础上，又把临近的壁面处的网格进一步加密。因为要考虑网格密度对于矩形通道的计算结果的影响，所以选择的工况时入口温度是300K、浓度是3.0以及入口速度是0.3m/s的CaSO4过饱和溶液去进行数值模拟。下图是把污垢热阻作为求解的目标，进行了划分网格的无关性验证。当划分的网格数从40*20到达60*40的时候，使得模型的计算精确度大大提高。这个事实充分说明了吧划分的网格进行加密对于模拟计算结果是有很大的影响的。但是当下图中的网格数量的不断进行增加，精确度的增长幅度并没有很明显的变化。当划分网格数在60*40左右时，如果继续进行加密网格，则可以看出这对于模型的计算的精确度并没有很好的提升。所以，考虑本课题以及上述的因素，本课题选择的网格密度是90*40。2.5流场计算以及求解方法2.5.1计算方法SIMPLE算法是指求解压力耦合方程的半隐式的方法，它是以压力修正方法为主要方向，这种方法在全世界的模拟计算中得到非常成功的应用。其中修正的方法包括有SIMPLER算法、SIMPLEX算法、SIMPLEC算法等算法。力修正发指的是计算压力场及速度场时，分别把压力和速度的初始场给出来，对压力进行修正，使得修正之后的压力场能够计算出满足连续性方程的速度场。本课题选择目前CFD程序中比较主流的SIMPLER算法，因为这一算法能够使得求解的速度与压力同时满足连续性方程和动量方程。SIMPLER算法是SIMPLE算法的基础之上发展出来的优化算法。以下就是SIMPLER算法中经常使用的方程：动量离散方程（压力方程）：（2-33）（2-34）式子中的Ae(pp-pE)表示的是相应的压力合力其中（2-35）因此动量离散方程也可以表示为：（2-36）类似地：（2-37）（2-38）上面式子中的b表示的是源项中不包括P在内的常数部分。（2-39）连续性方程离散形式是：（2-40）联立压力方程以及连续性方程，并且整理为相关压力的方程式:（2-41）上面式子中（2-42）（2-43）（2-44）（2-45）（2-46）（2-47）（2-48）（2-49）（2-50）联立修正压力方程以及修正连续性方程，并且整理为修正压力的方程式：（2-51）其中（2-52）其中速度修正方程为：（2-53）以下是SIMPLER算法的计算步骤：假定速度场，计算系数b以及假拟速度;联立求解压力方程以及连续性方程，求解得到由上面步骤求解出来得出求解动量离散方程，得到值；有上面一步求解出来的联立求解压力修正方程以及连续性方程，得到；将上一步中求解出来的代入中，得到，但是只修正速度不修正压力；将作为本层的速度场，在进行下一层的迭代。第三章运行工况对析晶污垢沉积的影响3.1圆管内运行参数的影响3.1.1流速影响影响模拟的结果的主要的因素是入口的流动速度。入口的流动速度的变化，并不是单单的对整个管道等的流场的改变，而且还会间接性的对传热与传质产生影响，最后就会对污垢的沉积产生一定的影响。根据速度的工况，本课题是可以通过对云图的显示来观察不同的进口速度对速度场的影响。进口速度的变化给速度场带来的影响如下图3-1所显示。在主流区中，进口速度跟流动速度基本是相同的。因此，从主流区到达近壁面区的速度有一定的下降，这是符合实际的情况的。(a)入口速度0.3m/s(b)入口速度0.5m/s(c)入口速度0.7m/s(d)入口速度1.0m/s(e)入口速度1.2m/s(f)入口速度1.5m/s图3-1不同入口速度下的速度云图Fig.4-1Thevelocitycloudpictureindifferentinletvelocity下图3-2是各个不同的入口的流动速度对于析晶污垢的沉积的影响曲线。图a、b、c、d分别显示的是各个不同的入口流动速度的条件下的剥蚀率、沉积率、净沉积率和析晶污垢热阻随着时间变化的曲线。各入口速度工况剥蚀率曲线(b)各入口速度工况沉积率曲线(c)各入口速度工况净沉积率曲线(d)各入口速度工况污垢热阻曲线图3-2速度工况沉积特性曲线Fig.4-2Thedepositioncharacterinvelocityworkingcondition我们可以从图3-2（a）看出因为流速的改变剥蚀率也会随着时间的改变的曲线的改变趋势，剥蚀率因为流速的改变的规律显得非常明显：流速越大，那么析晶污垢的沉积率也会越大。那么可以从剥蚀率的模型看得出来，剥蚀率和流动速度的平是成正比的，同时也跟污垢层的厚度成正比。通过剥蚀率跟流速的平方成正比可以知道，流动速度的增大也会直接的影响剥蚀率的增大的。主要导致这一结果的原因是流速的增大就会增大流体对于污垢层的剪切作用以及冲刷作用。又通过前面的讲述可以知道，随着流速的增大就会相应地增大污垢的沉积率大小。因为析晶污垢的沉积过程中都是开始先沉积后剥蚀的，那么剥蚀的作用并没有发生以前，污垢的沉积率的增大就会影响析晶污垢层厚度的增大，析晶污垢层的厚度的增大也会影响剥蚀率的增大。我们可以从图3-2（b）的显示的沉积的变化趋势看得出来，如果随着入口的流动速度的逐渐增加，析晶污垢的沉积率也是会增加的。同时，每一根曲线的趋势也都是慢慢的减小的。在析晶污垢的前100个小时之内，我们可以看得出来，图中的每一根曲线都是十分接近的，同时几根高流速的曲线也呈现出来了重合的现象，但是几根表示低流速的的曲线有着十分小的差距。而在析晶污垢沉积的100个小时以后的时间内，表示低流速的几根曲线的差距就慢慢明显起来了，而且流速越高就会出现沉积率越大的现象。实际上我们可以将图（b）中的六根曲线分为两大类型。其中的0.3m/s-0.7m/s曲线表示的是低流速的曲线，另外的三根曲线表示的是高流速的曲线。我们可以通过这两类曲线明显地观察出来。通过对这两类曲线是可以明显看得出来，在低流速的三根曲线之间的差异是明显的大于高流速的三根曲线。通过这足以说明，增大流速是可以增大析晶污垢的沉积率的。但是随着流速的增大，沉积率的增大程度是会慢慢的变小的。我们可以从析晶污垢的沉积率模型这角度细想可以发现，是正比于sh的，sh是正比于Re的0.875次方的。传质系数也会随着流速的增大而增大，所以析晶污垢的沉积率才会流速的增大而增大。

图3-2（C）中显示的是不同的流动速度下析晶污垢的沉积率因为时间的变化的曲线。通过图3-2（C）可以非常明显的看出析晶污垢的沉积率随着流速的变化规律。在图里面的每根曲线全部都是沉积率和剥蚀率的差值而得到的曲线。即使析晶污垢的沉积率跟剥蚀率全都会因为流速的增大从而增大，但是总的污垢沉积程度，也就是净沉积率，相反的是会随着流速的增大从而减少的。那么我们可以从另一面可以说明了剥蚀率随着流速的增大的速度就会远大于污垢沉积率因为流速的增大速度。但是跟污垢沉积曲线相似，净沉积率也是呈现出了高流速曲线之间的差异并不是特别明显的这一特点。那么这说明了随着流速的增大析晶污垢的总沉积速率是会相应的减小的，但是这一种慢慢减小的趋势的情况是会因为流速的增大从而慢慢地减弱的。图3-2（d）所显示的是不同的流动速度下析晶污垢的热阻随着时间的变化曲线。析晶污垢的热阻的改变的最主要原因也就是析晶污垢层等的厚度的改变。析晶污垢的沉积越来越厚，污垢的热阻就会越来越大。通过图3-2（a）我们可以清楚的看出，跟净沉积率相似的，随着流动速度的增大析晶污垢热阻的变化规律也会跟着减小的，但是这种减小的趋势是会因为流动速度的增大从而慢慢地减弱的。同时，通过观察每一根曲线还可以发现，每条曲线的斜率的变化也是有一定的差异的。流动速度越大，那么曲线的斜率变化也会越来越快，污垢热阻到达稳定值就会需要的时间越来越短。析晶污垢的沉积过程中最后的沉积效果就是剥蚀跟沉积的共同的作用结果。通过图3-2（d）可以看出，增大圆管内的工质的流动速度，的确是可以明显的降低析晶污垢的热阻。那么这析晶污垢热阻慢慢地减小的趋势，是因为剥蚀率和沉积率这两种趋势合并起来的所显示出来结果。3.1.2壁面温度影响以下的是在不同的壁面温度下计算而得到温度场分布图。因为析晶污垢是在壁面附近沉积的，因此析晶污垢的沉积受到壁面温度的影响是比较大的。通过下图可以知道，通过提高壁面的温度，就会普遍提高整个温度场。如果壁面的温度越来越高，那么就会使得出口温度越大。另一方面，如果提高壁面温度，就会使得在垂直壁面的方向的温度梯度增大，这也会增加在壁面温度附近的析晶污垢层的内部的温度梯度。壁面温度315K(b)壁面温度320K壁面温度325K(d)壁面温度330K(e)壁面温度335K(f)壁面温度340K图3-3壁温工况温度云图Fig.4-3Thetemperaturecloudpictureindifferentwalltemperature下面的图3-4所呈现的是在不同的温度工况条件下计算出来的平均剥蚀率、平均沉积率、净沉积率以及污垢热阻的显示图。通过图3-4可以清楚地知道，因为壁面温度的逐渐变化，剥蚀率以及沉积率的改变都是有相同的趋势的。不同壁面温度下沉积率曲线(b)不同壁面温度下剥蚀率曲线(c)不同壁面温度下净沉积率曲线(d)不同壁面温度下污垢热阻曲线图3-4壁温工况沉积特性曲线Fig.3-4Thedepositioncharacterinwalltemperatureworkingcondition通过沉积率的模型可以知道，浓度差就是沉积率变化的主要原因。受到壁面温度的变化的影响流体温度场也会随之变化，这也会改变在壁面附近的溶液的饱和浓度。因为CaSO4就是一种有反常溶液解度的硫酸盐，如果管道壁面温度越高，那么溶液的饱和浓度也会越来越低，最后就会使得壁面温度的提高，溶液的浓度差也会随之升高。与之相关地，如果溶液的浓度差提高那么污垢的沉积率也会提高，综上所述，壁面的温度提高那么沉积率也会升高，如3-6（a）图所显示。可是跟随着析晶污垢的慢慢沉积，对于显析晶污垢层的热阻作用就会慢慢地显示出来，接着就会是使得析晶污垢层的温度差增大，而在壁面附近的流体温度也会慢慢地降低，最后因为温度的降低使得污垢的沉积率也会降低。通过上面的详细分析可以知道，如果提高壁面的温度，就会降低溶液相对应的饱和浓度，这就使得浓度差就会越大，沉积率也会越大，那么污垢的沉积速度也会越来越快。因为析晶污垢的沉积速度越大，就会使得析晶污垢层的厚度的增长速度也会越来越大，这也会加大析晶污垢的热阻效果增加速度，同时增大在管道壁面区的流体的降温速度。在上面的这两种反向的作用下使得污垢的沉积率曲线在最终到达平稳的趋势。通过3-4（a）图可以清楚地知道，因为上述的这两种反向作用的调节下，图中的六根曲线平稳的位置差不多相同，需要到达平稳时间也差不多相同。通过剥蚀率的模型可以知道，沉积厚度Xf、流速u和垢层温度差都是剥蚀率变化的主要推动力，沉积厚度体现的是析晶污垢的沉积物本身的沉积特性跟随着沉积厚度的改变的作用，流速体现的是流体对沉积物的剪切作用，而污垢层的温度差体现的是热应力的作用。因此我们可以清楚地知道，如果流速越来越大，流体对析晶污垢层的冲刷作用就会更加剧烈，剪切的作用也会更加强烈。但是跟随着污垢沉积厚度的逐渐增长，流体管道也会变得越来越窄，这也会使得流体的流速慢慢增大，进一步加强了剪切作用。另外一方面，因为析晶污垢的本身特性可以知道，在硫酸钙析晶的纵切面详细观察知道，析晶污垢层的致密程度地不一样的。因为析晶污垢热阻跟污垢厚度是成正比的，因此能够在图3-4（d）看得出来在不同的壁面温度条件下的析晶污垢层的厚度。很明显地知道，如果管道壁面越来越高，析晶污垢层的厚度也越厚，析晶污垢层的温度差也会越大，这就显得因为热应力导致的剥蚀作用就会更加强烈。通过上面的原因清楚地知道，如果壁面的温度越高，那么剥蚀率也会越大。而图3-4（b）就很好地证明了这个结论了。上面的图3-4（c）就是在不同的壁面温度条件下的析晶污垢净沉积率曲线。我们可以从图中的曲线很直观地知道了析晶污垢沉积受到壁面温度的总体影响。通过图3-4（c）能够清楚地看出来，如果壁面温度越来越高，那么析晶污垢的沉积初始速率也将会越大，但是与之相对应的析晶污垢的沉积率的下降速度也会更加快，同时六根曲线到达稳定的平衡状态所需要的时间也是差不多相同的。上面的图3-4（d）显示的是析晶污垢热阻的变化曲线。通过图3-4（d）能够清楚地知道，如果壁面的温度越高，析晶污垢的热阻也会越来越大，同时析晶污垢的热阻在初始阶段的上升期，图中的每根曲线斜率的大小也会跟着壁面温度的变化而变化，此外，如果壁面温度越高，图中的曲线到达平稳的状态所需时间也就越短，但是低壁面温度的曲线就会逐渐地到达平稳值。这也就是说，如果壁面温度越高，洗净污垢的热阻到达稳定状态所需时间也就越短。3.1.3浓度的影响工质浓度的改变是会导致圆管内额浓度场的改变和传质浓度差值的变化。由改变入口的浓度，我们就能够得到浓度改变析晶污垢的沉积特性的机理。a)进口浓度3.0kg/m3浓度场云图b)进口浓度3.2kg/m3浓度场云图c)进口浓度3.4kg/m3浓度场云图d)进口浓度3.6kg/m3浓度场云图e)进口浓度3.8kg/m3浓度场云图f)进口浓度4.0kg/m3浓度场云图图3-5浓度工况浓度云图Fig.4-5Theconcentrationcloudpictureindifferentconcentration上图的3-5在相同的入口的浓度条件下圆管里面的流体的浓度场。在上面的浓度场都是以5.1节介绍的边界条件计算来得到的。因为上边界是恒定的壁面温度，同时析晶污垢在壁面附近析出来并且沉积，所以壁面的浓度设置是相界面出的温度相对应的饱和浓度。所以上界面跟主流区就会存在了浓度差值。那么就根据这个浓度差为动力来进行传质，主流区的比较高的浓度区的溶质慢慢地向壁面处进行了传质，最后就能够得到上面的浓度场云图。我们可以从图3-5可以看出来，主流区的出口浓度相对于入口的浓度降低的并不是特别多。那么由上图可以知道，主流区的出口的浓度相对于入口的浓度降低的值跟随着入口的浓度升高从而慢慢增大。通过入口的浓度3.0kg/m3的工况来降低的大概是0.04kg/m3到达入口的浓度4.0kg/m3的工况大概降低的0.4kg/m3,主流区的出口浓度相对于入口的浓度的减少的量跟随着入口的浓度升高从而慢慢地提升起来。这主要是因为上面的六个工况中跟相界面的温度相对应的边界浓度都是相等的，但是入口的浓度升高，那么相对应的主流区跟相界面附近的浓度差就会相对应地提高，结果就引起传质的加强，最后导致主流区的出口浓度减小量的逐渐增大。不同入口浓度的沉积率曲线(b)不同入口浓度的剥蚀率曲线(c)不同入口浓度的净沉积率曲线(d)不同入口浓度的污垢热阻曲线图3-6浓度工况沉积特性曲线Fig.3-6Thedepositioncharacterinconcentrationworkingcondition图3-6（a）是不同的入口浓度条件下计算得到的析晶污垢的沉积率的对比图。通过图3-6（a）能够看出，比较高的入口浓度计算出来的沉积率是要远远高于低浓度的入口浓度向对应的析晶污垢的沉积率。根据析晶污垢的沉积率模型，管道内的析晶污垢的沉积率跟管道内的浓度梯度和流动速度和相界面附近的温度都是有相关的联系的。那么在初始的时期相界面是不会有析晶污垢的沉积率的，这时候是因为壁面的温度是一样的，相界面就是管道的壁面跟流动液体的的界面。因此管道的壁面温度就是上界面的温度。因此六个工况在初始时期上界面的温度以及饱和的温度都是一样的。在析晶污垢开始要沉积的阶段，比较高的溶液浓度，最开始就是增大了流动液体等的主要流动区域的浓度，但是因为边界浓度就是饱和浓度同时也都是一样的，因此比较高的入口浓度那是能够直接地升高主流区跟相界面上的浓度差。这就引发了在污垢沉积一开始的阶段，比较高的入口浓度的污垢浓度那是眼远高于比较低的入口浓度的沉积率。但是跟随着析晶污垢的沉积继续积极地进行着，析晶污垢的沉积率皆都呈现出了不同程度地逐渐下降。通过上图可以知道，入口的浓度逐渐地提高，那么污垢的沉积率的曲线下降的速率也就越快。因为比较高的入口的浓度的析晶污垢的沉积率相对于低入口的浓度要高，因此低入口的浓度是要低于高入口的浓度的单位时间污垢的沉积率。那么这就很明显地知道浓度越来越高，单位时间内析晶污垢的沉积率就会越来越厚。同时这个时候从管道壁面上的相界面将改变为污垢层的表面。这就很明显地知道，如果析晶污垢层越厚，那么污垢层的热阻也就越大，跟之相关的相界面附近的温度也就会越来越低。相界面附近的温度逐渐降低，这就引发了析晶污垢沉积附近的饱和浓度将会升高，与之相关沉积率的模型中的浓度差也就跟着其相应地减小，最后也就引发了污垢沉积率的下降。因为低入口的浓度的污垢沉积率的速度是要低于高入口的浓度的污垢层增长的速度的，那么低入口浓度的污垢沉积率曲线的下降速率那是要远低于高入口浓度的污垢沉积率的曲线的下降速率。如果析晶污垢的沉积率达到了稳定的阶段的时候，那么析晶污垢的的沉积率就会降到了最低值，同时也将会保持在稳定的趋势。那么这个时候的入口浓度产生的差异也就没有那么明显了，这就显得六条曲线将会基本重合。图3-6（b）就是不同的入口浓度的条件下计算出来的剥蚀率的比较图。通过剥蚀率的模型知道，不一样的入口浓度将会影响到跟之相关的剥蚀率的原因一直是流速、沉积厚度和污垢层的温度差。随着入口浓度的增大，那么污垢测沉积量以及沉积率都会增大，最终污垢层的厚度也会增大。因为污垢层的厚度的逐渐增加，这就引发了析晶污垢剥蚀率的逐渐提高。另外，厚度的逐渐增加，这就使得管道内等的工质流速也逐渐增加，同时也加大了流动液体对于污垢层的冲刷的作用，最后使得剥蚀率逐渐增加。另外一方面，随着析晶污垢层的厚度逐渐增加，这就使得污垢层内的温度差的增加，最后就导致了污垢层的热应力项的逐渐增加。通过上面的原影音综合起来，这就足以说明剥蚀率的曲线就会随着入口浓度的逐渐增加而增大。上面的图3-6（c）就是在不一样的入口的浓度等的条件下计算而得到的污垢净沉积率的比较图，通过对图3-6（c）和图3-6（b）以及跟图3-6（a）的比较从而知道，析晶污垢的净沉积曲线与沉积曲线那是非常的相似的，也就从低入口浓度曲线中才会能够看得出来有细微的差别，而在高入口浓度的曲线中那是非常难分辨这其中的差异的。通过上述可以知道，剥蚀率与沉积率在数值上面那是存在一定的差距别的。沉积效果受到剥蚀率的影响那是非常小的。所以析晶污垢的沉积率跟净沉积率的主要特性是十分相似的。上面的图3-6（d）就是在不一样的入口浓度的条件下计算而得到的析晶污垢热阻的比较图。由图3-6（d）中都可以很清楚地知道析晶污垢热阻受到入口浓度的影响。通过图3-6（d）可以清楚地知道，跟随着入口的浓度的提高，而析晶污垢热阻慢慢增大。通过前面所讲述的，随着入口浓度的提高，就会引发析晶污垢的净沉积率增大，那么污垢的沉积率的厚度也会跟着增大，最后就会影响析晶污垢的热阻增大。由此可知，如果想要减小析晶污垢的热阻，那就非常有必要降低溶液内的溶质的浓度。3.1.3入口温度的影响。圆管内额析晶污垢的对于受到进口温度的变化所带来的影响那是不能够忽视的。一开始在圆管道内的工质中的析晶污垢沉积的过程之中，入口的工质温度的变化不单单能够影响到管道内的传质过程，同时也会对管内的温度场的分布产生影响，最后就会使得管内的传质系数产生变化。然后就是影响温度场的分布的原因就是入口温度的变化，同时也是间接