氣液相變過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換研究.pdf

1、“能源與環(huán)境”是當(dāng)今世界的一大主題，目前的能源形勢(shì)并不容樂(lè)觀，能源利用帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也日益嚴(yán)峻，發(fā)展先進(jìn)的能源利用技術(shù)是緩解能源壓力，改善生態(tài)環(huán)境的一條重要途徑。
　　在能源利用過(guò)程中往往存在著各種相變過(guò)程，能量通過(guò)特定的工質(zhì)作為載體，以相變的形式實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、轉(zhuǎn)化和回收，因此關(guān)于氣液相變過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換研究具有非常重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。本文研究的氣液相變側(cè)重于氣體在快速膨脹過(guò)程中的自發(fā)均質(zhì)凝結(jié)過(guò)程，通過(guò)拉法爾噴管將這一物

2、理過(guò)程實(shí)現(xiàn)，并從理論分析計(jì)算、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面進(jìn)行了研究。
　　在理論分析和數(shù)值模擬部分，首先利用超臨界二氧化碳作為工質(zhì)，進(jìn)行了膨脹凝結(jié)數(shù)值模擬計(jì)算模型的初步探索。對(duì)臨界點(diǎn)附近的二氧化碳的實(shí)際狀態(tài)方程進(jìn)行了改寫擬合，得到了與前人實(shí)驗(yàn)值基本吻合的狀態(tài)方程并應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算，通過(guò)將凝結(jié)產(chǎn)生后流場(chǎng)的溫度和壓力限制在飽和線上的方法將凝結(jié)與流動(dòng)耦合起來(lái)，一維二維的數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到了很好的吻合。隨后在二氧化碳的數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，引入過(guò)飽和度

3、的概念，提出了通過(guò)控制過(guò)飽和度在凝結(jié)產(chǎn)生前后的變化特性實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)過(guò)程和凝結(jié)過(guò)程的耦合，建立了更完善的數(shù)值計(jì)算模型。對(duì)最常用的工質(zhì)水（水蒸氣）進(jìn)行了一維理論計(jì)算和變工況分析，并在新的模型下進(jìn)行了二維數(shù)值模擬及變工況分析，理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果吻合，并且體現(xiàn)了二維模擬中由于流體的粘性耗散和壁面的摩擦效應(yīng)帶來(lái)的變化。變工況分析得到了噴管初終參數(shù)對(duì)于流動(dòng)和凝結(jié)的影響。
　　在實(shí)驗(yàn)部分，完成了水蒸氣在拉法爾噴管內(nèi)的超音速膨脹凝結(jié)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)的

4、主要部件的設(shè)計(jì)及選型，搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)機(jī)械隔膜計(jì)量泵和PTC即熱式加熱器獲得過(guò)熱蒸汽，然后送入設(shè)計(jì)制作好的拉法爾噴管進(jìn)行膨脹，膨脹終了的濕蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝回收并維持一定的背壓，并根據(jù)冷凝器的能量平衡法測(cè)算出噴管出口處的凝結(jié)量。進(jìn)行了兩類變工況實(shí)驗(yàn)，即分別調(diào)整給水流量和加熱器功率，研究凝結(jié)量的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相同進(jìn)出口參數(shù)下的理論計(jì)算值具有相同的變化趨勢(shì)。最后利用紋影儀對(duì)膨脹凝結(jié)流動(dòng)的流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，并將不同出口凝結(jié)量下的紋影照片進(jìn)行數(shù)