汽-液-固流石墨管振動行為的建模及分析.pdf

1、汽-液-固三相流化床蒸發(fā)裝置及技術(shù)因具有強(qiáng)化傳熱和防除垢效果而已經(jīng)在鹵水蒸發(fā)制鹽、中藥提取液濃縮和化工廢水預(yù)處理等領(lǐng)域得到工業(yè)應(yīng)用。但是，在將其推廣應(yīng)用于由脆性材質(zhì)石墨管等組成的蒸發(fā)器及過程時，例如用于磷酸稀溶液的蒸發(fā)濃縮裝置及過程時，必須研究汽-液-固三相沸騰流對石墨加熱管的影響，以便為裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全操作等提供基礎(chǔ)指導(dǎo)。通過本文研究，取得了如下創(chuàng)新性研究結(jié)果。
　　基于Hamilton原理和流體力學(xué)理論等，建立了描述管內(nèi)伴

2、有汽-液-固三相沸騰流動的兩端固支單根石墨加熱管蒸發(fā)器的振動控制方程。在建立的數(shù)學(xué)模型中，應(yīng)用混和相流動模型處理多相流參數(shù)；應(yīng)用Galerkin（伽遼金）數(shù)值分析方法將振動方程進(jìn)行離散化和線性化；利用Modality（模態(tài)）法求解管子固有頻率，由MATLAB軟件計(jì)算；利用牛頓插值法，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析；利用Wolfram Mathematical軟件對模型推導(dǎo)過程進(jìn)行驗(yàn)證；考察了流動參數(shù)對管子振動行為的影響。數(shù)值計(jì)算的主要結(jié)果為：在固含

3、率為1.0％，玻璃珠直徑為2.4mm，管內(nèi)的臨界流速為0.81m/s，當(dāng)流速在0.81-1.15m/s之間時，管子處于分叉振動；當(dāng)流速超過1.15m/s，管子發(fā)生顫振；管長對管子的振動行為影響最大；管子的固有頻率隨著氣含率的增加而增加，隨固含率的增加而減小。
　　在理論建模的基礎(chǔ)上，開展了汽-液-固三相沸騰流條件下單根石墨加熱管的振動特性的實(shí)驗(yàn)研究。測得了管內(nèi)伴有三相沸騰流的石墨加熱管中間位置處的振動加速度時間序列，進(jìn)行了時域和頻

4、域分析，結(jié)合壓降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了管子的固有頻率以及流體激振狀況。實(shí)驗(yàn)得到的主要研究結(jié)果有：在汽-液兩相流中加入固體顆粒，管子的振動加速度振幅顯著增加，管子的固有頻率略有降低；壓降數(shù)據(jù)分析得到了流體的激振頻率，模型計(jì)算表明，在該流體激振頻率下，如果管子受流體振動產(chǎn)生共振，流體的速率是0.80m/s，低于臨界流速，但很接近臨界流速。
　　汽-液以及汽-液-固沸騰循環(huán)體系具有混沌性，本文分析了固含率和加熱蒸汽壓力對多相流系統(tǒng)重構(gòu)的振動信

5、號的非線性行為的影響。（1）重構(gòu)后的振動加速度和壓降信號的自相關(guān)系數(shù)圖中的極小值點(diǎn)對應(yīng)的時間延遲比較相近，也不隨著固含率以及加熱蒸汽壓力的變化而變化。（2）隨著固含率和加熱蒸汽壓力的增大，振動加速度信號和壓降信號的吸引子尺寸逐漸增大；固體顆粒對吸引子大小的影響比加熱蒸汽壓力的影響大。（3）隨著固含率的增加，系統(tǒng)復(fù)雜程度增加，相關(guān)聯(lián)程度減小，導(dǎo)致關(guān)聯(lián)積分曲線向著超球半徑r增加的方向偏移,固體顆粒對系統(tǒng)運(yùn)動的關(guān)聯(lián)程度以及規(guī)律性影響更明顯。（