液氮溫區(qū)液泛發(fā)生機理研究.pdf

1、液泛是指氣液兩相逆流過程中，部分液體受氣體作用被攜帶至液體進口以上的現(xiàn)象。液泛現(xiàn)象廣泛發(fā)生于重力熱管、緊湊式換熱器、規(guī)整填料塔等工業(yè)設(shè)備中，不僅破壞正常流動，而且還往往伴隨壓降陡升現(xiàn)象，因此對設(shè)備的運行產(chǎn)生不利影響。由于液泛發(fā)生過程界面波發(fā)展及氣液相互作用的復(fù)雜性，現(xiàn)有的理論尚不能準(zhǔn)確描述這一發(fā)展過程。液泛也是限制低溫規(guī)整填料精餾空氣處理量的主要因素，是實現(xiàn)大規(guī)模低溫空氣分離的主要障礙之一。由于液氮、液氧等低溫流體與常規(guī)流體相比物性差別

2、巨大，低溫液泛機理愈加復(fù)雜，常規(guī)采用的室溫流體液泛實驗關(guān)聯(lián)式在低溫下的適用性、準(zhǔn)確性急待驗證。本文以完善液泛形成理論模型和探索液氮溫區(qū)流體液泛機理為目標(biāo)，主要展開了以下四個方面的研究工作:
　　1、提出了用于規(guī)整填料塔內(nèi)氣液兩相CFD模擬計算的三維幾何結(jié)構(gòu)，闡明了液泛發(fā)生前兩相流在規(guī)整填料結(jié)構(gòu)中的發(fā)展及特點。
　　計算流體力學(xué)的快速發(fā)展為精餾設(shè)備效率的進一步提高提供了更有效的計算方法。當(dāng)前，描述規(guī)整填料內(nèi)兩相流特性的常用方法

3、為基于流體體積數(shù)學(xué)構(gòu)架(VOF)的二維幾何模型，不能反映氣液相的實際流動情況;而現(xiàn)有的三維模型幾何復(fù)雜度高，同時計算機資源的要求高，難以滿足實際需要。本文利用鏡像處理方式，提出由三角通道組成的三維模型，大大減少了網(wǎng)格數(shù)。本文計算分析了潤濕面積、出口處液相流量波動、液膜厚度的空間變化以及壓降情況。計算結(jié)果均與其他研究者的實驗觀察相符合，從而對液泛發(fā)生前的兩相流動特性和影響因素有了定量的認識，為液泛形成的進一步理論分析做好準(zhǔn)備。
　　

4、2、建立了豎直圓管中液泛形成過程三維數(shù)學(xué)模型，揭示了界面波不穩(wěn)定性與環(huán)向傳播，以及兩相流速、物性和通道直徑的內(nèi)在聯(lián)系。
　　線性穩(wěn)定性理論已廣泛應(yīng)用于界面不穩(wěn)定的預(yù)測。對于豎直圓管內(nèi)液泛發(fā)生的理論預(yù)測，現(xiàn)有基于線性穩(wěn)定性理論的計算均采用界面波軸對稱假設(shè)，其預(yù)測結(jié)果低于實驗值。事實上，由于擾動的非對稱性，這一假設(shè)往往并不適用，而環(huán)向波動對界面的穩(wěn)定性具有重要影響。本文基于線性穩(wěn)定性理論，引入了環(huán)向波數(shù)，建立了相應(yīng)的環(huán)向質(zhì)量和動量守恒

5、方程，理論求解了豎直圓管中的三維界面波不穩(wěn)定機理，揭示了界面波不穩(wěn)定性與兩相流速、物性及通道直徑的內(nèi)在聯(lián)系。計算結(jié)果表明，環(huán)向波動有利于遏制液泛發(fā)生，三維模型預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。
　　3、建立了傾斜圓管內(nèi)液泛形成過程的數(shù)學(xué)模型，揭示了大傾角圓管中液泛氣速與管徑、傾斜角度及工質(zhì)物性的內(nèi)在聯(lián)系。
　　傾斜通道是實際工業(yè)設(shè)備中最常見的傳輸管路形式，目前用于分析傾斜通道內(nèi)液泛情況的模型要么是為一維模型，要么未考慮通道內(nèi)的有限

6、壁面邊界條件，僅適用于水平或接近水平通道的液泛預(yù)測。本文根據(jù)傾斜圓管內(nèi)液膜流動特點及液膜厚度與液泛臨界波長間的關(guān)系，將圓管內(nèi)分層流動的三維波進行合理簡化，利用線性穩(wěn)定性理論，建立了適用于計算大角度傾斜圓管內(nèi)液泛發(fā)生臨界條件的數(shù)學(xué)模型。計算結(jié)果表明，該模型與已公開文獻中的實驗結(jié)果吻合良好，同時充分考慮了圓管結(jié)構(gòu)及工質(zhì)物性特點，尤其是低溫流體的特殊性質(zhì)對液泛發(fā)生的影響。本文提出了以氣液相密度比(RHO)作為初步判斷液泛氣速值的量度，在計算中

7、發(fā)現(xiàn)低溫流體的液泛氣速遠低于室溫流體，并證明了RHO量度的合理性。
　　4、以空氣-水以及液氮-飽和氮蒸汽為工質(zhì)進行了傾斜圓管內(nèi)液泛的實驗研究，驗證了本文數(shù)學(xué)模型對不同溫區(qū)流體的適用性及準(zhǔn)確性。
　　現(xiàn)有的液泛實驗研究幾乎均以室溫流體為工質(zhì)。工質(zhì)物性不同將導(dǎo)致液泛發(fā)生機理的不同，然而公開報道的低溫流體液泛實驗研究非常稀少。本文設(shè)計搭建了傾斜圓管內(nèi)液泛可視化實驗裝置，分別采用常溫工質(zhì)空氣-水以及低溫工質(zhì)液氮-飽和氮蒸汽進行了對

8、比實驗研究。將低溫工質(zhì)的液泛情況與常溫工質(zhì)進行對比，發(fā)現(xiàn)室溫流體（水/空氣）液泛發(fā)生的特征是管內(nèi)“柱塞”流，且液泛發(fā)生時界面波基本保持完整波形。而液氮流體發(fā)生液泛時，由于氣液密度比遠大于室溫流體，同時液體粘度極小，使得氣體慣性力較大從而能夠擊碎界面波，形成特有的霧狀流動，令通道內(nèi)的壓降小于室溫流體。實驗測得低溫流體的極小液泛氣速與理論計算結(jié)論相符。本文討論了現(xiàn)有典型液泛預(yù)測公式在低溫流體情況下的適用性后，進一步驗證了本文提出的數(shù)學(xué)模型能