漿氮的制備及其在水平管內(nèi)的流動與相變換熱特性研究.pdf

1、高溫超導(dǎo)電纜具有在低溫下零電阻的特性，用于遠(yuǎn)距離電力輸送中可顯著降低功率損耗，因此引起了各國研究者的廣泛關(guān)注和研究。漿氮中含有的固氮顆粒在融化時吸收相變潛熱，從而提高了其換熱性能，同時漿氮還具有溫度低且穩(wěn)定、密度大、輸運(yùn)性能好等優(yōu)點，因此被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)電纜理想的制冷劑。目前低溫漿體的研究尚處于起步階段，對其各方面性質(zhì)及相關(guān)機(jī)理的認(rèn)識不深入。本文針對高溫超導(dǎo)電纜冷卻等應(yīng)用中涉及的相關(guān)問題，從實驗和理論兩方面入手對漿氮的制備、測量、管內(nèi)的

2、流動與換熱特性進(jìn)行了深入的研究。主要結(jié)論如下:
　　 開展了漿氮凍結(jié)-融化制備技術(shù)的可視化研究工作，分析固氮形成的熱力學(xué)過程，獲得不同條件下氣液界面上生成的固氮層圖片。通過對固氮層形成過程的深入研究，分析漿氮制備過程中真空泵抽速以及凍結(jié)和融化段時間等對固氮層狀態(tài)、結(jié)構(gòu)以及所生成固氮顆粒性質(zhì)的影響。攪拌作用加速了顆粒的老化過程，使得制備過程中新鮮固氮顆粒的結(jié)構(gòu)隨時間發(fā)生明顯的變化?；诳梢暬芯拷Y(jié)果對凍結(jié)-融化制備技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得

3、到平均直徑約1.0mm且尺寸形狀較均勻的固氮顆粒，所制備的漿氮質(zhì)量較高。
　　 采用電容式密度計測量漿氮的密度，并利用整體屏蔽法進(jìn)行改進(jìn)以克服其寄生電容大、抗電磁干擾能力弱的缺點。理論和實驗分析表明，采用整體屏蔽法可顯著降低測量線路的寄生電容，測量結(jié)果接近探測電容器本身的電容值;密度計的抗電磁干擾能力提高了一個數(shù)量級，電容測量噪聲減小至±0.001pF之內(nèi)，其穩(wěn)定性和分辨力得到顯著提高。分析測量電壓的頻率對分辨率及靈敏度的影響從

4、而得到電容式密度計的最佳測量頻率為1.0MHz。非差動式和差動式密度計的有效靈敏度分別為0.415pF和3.717pF，與理論值接近。優(yōu)化后電容式密度計的測量精度達(dá)到±0.25％。
　　 建立基于顆粒動力學(xué)的歐拉-歐拉兩相流模型。采用顆粒動力學(xué)模型模擬顆粒間的碰撞及顆粒與液相湍流的相互作用，采用各相k-ε紊流模型以充分考慮液相與固相顆粒間的作用力，以Gunn模型模擬液固兩相間傳熱過程，考慮漿氮的融化以及由相變引起的相間動量和能量

5、的傳遞。將模擬結(jié)果分別與文獻(xiàn)中多組常規(guī)漿體的實驗結(jié)果進(jìn)行對比，從而驗證了兩相流模型的可靠性。在漿氮的模擬方面，對關(guān)鍵性模型參數(shù)（如顆粒-顆?；謴?fù)碰撞系數(shù)、顆粒-壁面碰撞恢復(fù)系數(shù)和鏡面系數(shù)）進(jìn)行敏感性分析，獲得適用于漿氮顆粒特性的模型參數(shù)群。漿氮的模型結(jié)果包括流動壓降、流速分布和局部換熱系數(shù)均與文獻(xiàn)中實驗結(jié)果相吻合。
　　 對漿氮在10.0mm的水平圓管內(nèi)的流動特性進(jìn)行研究。實驗測量了漿氮在管內(nèi)流動的壓降及流速，在粘性摩擦與機(jī)械摩

6、擦的共同作用下漿氮的流動壓降明顯高于過冷液氮，且隨固相體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。采用歐拉-歐拉兩相流模型模擬得到了不同條件下漿氮壓降、固相體積分?jǐn)?shù)分布、流速分布等詳細(xì)信息。漿氮在水平管內(nèi)流動可劃分為三種流型:擬均質(zhì)流、非均質(zhì)流及推移床流，分析不同流型下顆粒分布、流速分布等及對漿氮流動的影響，并獲得相應(yīng)的流型轉(zhuǎn)變速度，即懸浮速度及沉降速度。以Einstein公式計算漿氮表觀粘度并進(jìn)而得到漿氮雷諾數(shù)，在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上得到適用于漿氮水平管流動的

7、經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。
　　 實驗測量了漿氮在水平長直圓管內(nèi)加熱流動時進(jìn)出口流體溫度、壁面溫度和流體流速，在此基礎(chǔ)上得到漿氮管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱特性。由于固氮顆粒融化吸收相變潛熱，漿氮的局部換熱系數(shù)高于同條件下的過冷液氮，且隨固相體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。采用歐拉-歐拉兩相流模型對漿氮的對流換熱過程進(jìn)行模擬，計算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合，并得到漿氮管內(nèi)加熱流動時相間傳熱傳質(zhì)過程的細(xì)節(jié)。分析漿氮對流換熱過程中的沿程變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)流動充分發(fā)展后由于流速較