磁場(chǎng)作用下的低溫氧氮混合流體熱質(zhì)傳遞機(jī)理研究.pdf

1、工業(yè)氣體是現(xiàn)代工業(yè)的“血液”，氧、氮、氬等工業(yè)氣體產(chǎn)品主要來自于空氣分離。低溫精餾法處理量大、產(chǎn)品純度高，是目前應(yīng)用最廣泛的空分方法。低溫精餾裝備在鋼鐵、石化等行業(yè)的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用中占有很高的比例，對(duì)其強(qiáng)化與節(jié)能的研究具有重要意義。目前，這些研究主要集中于空分流程設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)和控制技術(shù)的不斷改進(jìn)，在精餾過程機(jī)理乃至原理革新方面卻相對(duì)缺乏。本文提出利用非均勻磁場(chǎng)輔助低溫精餾分離的新方法，可望綜合利用氧氮的沸點(diǎn)差異和氧的低溫強(qiáng)

2、順磁性顯著提高分離效率。目前，對(duì)于該方法的研究尚處于起步階段，磁場(chǎng)對(duì)精餾中各物理過程的作用機(jī)制尚未明確，無法支撐未來磁場(chǎng)輔助精餾理論體系的構(gòu)建和驗(yàn)證樣機(jī)的研發(fā)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)非均勻磁場(chǎng)下的液氧自由液面流動(dòng)進(jìn)行了研究，初步驗(yàn)證了利用磁場(chǎng)控制氣-液氧兩相流動(dòng)界面和流場(chǎng)的可行性。通過數(shù)值方法研究了非均勻磁場(chǎng)下二維平行板流道中的氣-液氧的自由液面流動(dòng)，并與常溫空氣-水的流動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比分析。在高磁場(chǎng)強(qiáng)度

3、的流道中心處，液氧的液位被非均勻的磁場(chǎng)力提升，從而在液相主流的下方形成了一個(gè)低流速區(qū)。同時(shí)，隨著磁通密度的增大，流動(dòng)壓降由于液相局部流動(dòng)截面的擴(kuò)大而減小。當(dāng)磁通密度為0.25 T時(shí)，對(duì)于不同的入口工況，流動(dòng)壓降相比于無磁場(chǎng)時(shí)都下降了7-9％。模擬結(jié)果初步證明了利用非均勻磁場(chǎng)來控制氣-液氧兩相流動(dòng)的可行性。⑵對(duì)交變磁場(chǎng)作用下平行板流道內(nèi)的液氧對(duì)流傳熱過程進(jìn)行了多物理場(chǎng)耦合模擬，揭示了磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的含氧流體傳熱強(qiáng)化“高效低阻”的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。利用多

4、物理場(chǎng)耦合模型針對(duì)交變磁場(chǎng)作用下平行板流道內(nèi)的液氧對(duì)流傳熱過程進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明交變磁場(chǎng)引發(fā)了周期性的渦流生成和脫落，這些渦流可以有效地破壞無磁場(chǎng)時(shí)穩(wěn)定的熱邊界層，進(jìn)而促進(jìn)流道內(nèi)冷熱流體的混合，從而顯著提升了液氧的對(duì)流傳熱效率。磁場(chǎng)強(qiáng)化后流道內(nèi)的平均努塞爾數(shù)相比于無強(qiáng)化的自由流動(dòng)最高增長(zhǎng)了86.1%，且其傳熱強(qiáng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC（1.18-1.45）普遍高于傳統(tǒng)翅片強(qiáng)化的方式（0.67-1.02）。這些結(jié)果表明，磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的液氧傳熱強(qiáng)

5、化方法，可以在不劇烈增大壓降的前提下，顯著增強(qiáng)對(duì)流傳熱系數(shù)。⑶基于激光干涉低溫可視化方法，首次通過實(shí)驗(yàn)探索了非均勻磁場(chǎng)及高梯度導(dǎo)磁填料對(duì)于低溫氧氮混合流體傳熱傳質(zhì)過程的作用機(jī)理。設(shè)計(jì)并搭建了激光干涉低溫傳質(zhì)可視化實(shí)驗(yàn)裝置，并采用一維連續(xù)小波變換進(jìn)行二維半定量濃度場(chǎng)的提取，開展了磁場(chǎng)作用下的液態(tài)氧氮混合傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁場(chǎng)下液態(tài)氧氮的混合傳質(zhì)過程可以分成四個(gè)不同的階段，包括液氧充注階段、濃度分層擴(kuò)散階段、穩(wěn)定蒸發(fā)階段和不穩(wěn)定鼓