旋轉(zhuǎn)超音速凝結(jié)流動及應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、超音速旋流分離技術(shù)( Supersonic Gas Separation)是一種利用超音速流動條件下氣體的低溫凝結(jié)效應(yīng)結(jié)合旋流分離技術(shù)實現(xiàn)多組分氣體中凝點較高組分的冷凝分離的混合氣體分離技術(shù)。與傳統(tǒng)的混合氣體分離技術(shù)，如溶劑吸收法、固體吸附法、膜分離法和冷凝分離法相比，該項技術(shù)具有以下優(yōu)點：整個過程集制冷、冷凝和分離于一體，結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，投資費用低；過程的制冷單元無轉(zhuǎn)動件，完全是利用氣體在超音速旋流分離裝置中的高速流動產(chǎn)生低溫，

2、能耗較低；氣體在超音速段的最低壓力低于出口壓力，溫度低于在同一壓比下透平膨脹機(jī)所能達(dá)到的制冷溫度，等熵效率高。但目前，國外關(guān)于該項技術(shù)的研究報道很少，而國內(nèi)研究尚處于起步階段。本文針對超音速旋流分離過程中的氣體旋轉(zhuǎn)超音速凝結(jié)流動行為進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上對超音速旋流分離裝置結(jié)構(gòu)及提高裝置性能的方法進(jìn)行探索。建立了描述氣體旋轉(zhuǎn)超音速凝結(jié)流動的三維數(shù)值模型；提出了超音速噴管為圓環(huán)截面形式的新型錐芯超音速旋流分離裝置；探索了提高超音速旋流分離

3、裝置性能的有效策略；建立了實驗平臺，對錐芯超音速旋流分離裝置的分離性能進(jìn)行研究，并驗證提高性能策略的有效性。論文的主要研究工作及所形成的結(jié)果與結(jié)論如下： ①建立了混合氣體自發(fā)凝結(jié)流動的Eulerian雙流體多維模型。采用歐拉—歐拉方法建立氣液兩相流動控制方程組，考慮相間速度滑移，真實地反映了液相流場；運用經(jīng)典成核理論(CNT)描述水蒸汽的自發(fā)凝結(jié)，模擬了氣體復(fù)雜凝結(jié)流動過程中的相變行為；建立了RNG k-ε-kp模型封閉兩相湍流

4、，引入了氣體強(qiáng)旋轉(zhuǎn)、可壓縮性及液滴對兩相湍流的影響；使用C語言編制接口程序?qū)⒁合嗫刂品匠碳捌渌匠痰脑错椙度氲紺FD軟件中，實現(xiàn)兩相凝結(jié)流動控制方程組的求解，使該模型具有廣泛的通用性，尤其適用于具有三維復(fù)雜特性的凝結(jié)流動行為研究。模型計算結(jié)果比一維模擬結(jié)果更接近于真實情況，與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，并能清晰地揭示氣體凝結(jié)和流動參數(shù)的多維分布及壁面邊界層對凝結(jié)流動的影響。 ②借助混合氣體自發(fā)凝結(jié)流動的Eulerian雙流體多維模型研究了

5、氣體旋轉(zhuǎn)超音速凝結(jié)流動過程，得到：氣體流動過程中，各個流動和凝結(jié)參數(shù)在噴管截面上呈現(xiàn)出了不對稱的分布；旋轉(zhuǎn)的存在及旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的增強(qiáng)會使氣體自發(fā)凝結(jié)發(fā)生位置靠近喉部，液滴成核率極值降低、凝結(jié)區(qū)域長度縮短；減小入口溫度，增大入口壓力、入口相對濕度和噴管出口和喉部截面積比，可使自發(fā)凝結(jié)發(fā)生位置靠近喉部，凝結(jié)區(qū)域長度縮短；增大入口溫度和噴管出口與喉部截面積比、減小入口壓力和入口相對濕度，可使成核率極值增大。 ③借助混合氣體自發(fā)凝結(jié)流動的E

6、ulerian雙流體多維模型預(yù)測了本文設(shè)計的4種圓形截面超音速噴管型線的可行性，并研制出一種新型的旋流器前置超音速旋流分離裝置——錐芯超音速旋流分離裝置。該裝置中超音速噴管為圓環(huán)截面縮放噴管，通過改變錐芯的直徑實現(xiàn)噴管截面積的縮放。與現(xiàn)有的圓形截面超音速噴管相比，圓環(huán)截面超音速噴管具有加工容易、壓力損失小與液滴沉降距離短的優(yōu)點。此外，對含濕氣體在錐芯超音速旋流分離裝置中的凝結(jié)和流動行為進(jìn)行了分析，提出了增大凝結(jié)液滴尺寸提高裝置分離性能的

7、策略。 ④針對增大凝結(jié)液滴尺寸提高裝置分離性能的策略，提出了外加凝結(jié)核心的方法。通過理論分析，確定了凝結(jié)核心為與可凝氣體組分互溶的微小惰性液滴。建立了液體噴射的簡化物理模型，采用離散相模型對噴入水滴在以空氣—乙醇蒸氣為介質(zhì)的裝置中的霧化過程進(jìn)行了研究。綜合分析液滴霧化形態(tài)、運動狀態(tài)及氣體過飽和狀態(tài)，確定了錐芯超音速旋流分離裝置的最佳液體噴入位置為超音速噴管喉部附近的錐芯外壁處。 ⑤建立了超音速旋流分離裝置的實驗平臺，研究