新型穿流式搅拌桨研究--Ⅰ.全混状态下的水射流实验

穿流式搅拌桨桨叶上的开孔所引起的射流对于提高搅拌效率、降低搅拌能耗起着重要的作用.采用模拟实验方法,研究了全混状态下喷孔出口流速、孔径和孔长对水射流半扩展角β和源点xp/D的影响.研究结果表明喷孔孔径、孔长以及喷孔前流体的湍动程度对射流发展有很大影响,存在一临界喷孔长径比(H/D)0,1.31≤(H/D)0≤1.67.当H/D≤(H/D)0时,β随速度(或Re)增加而增大,xp/D随Re增加变化很小;当(H/D)＞(H/D)0时,β随速度(或Re)增加而减小,xp/D随Re增加而减小.为了获得较好的混合效果,搅拌桨桨叶上的开孔所引起的射流应有尽量大的扩展效果,因此桨叶上开孔的长径比应小于(H/D)0.     

新型穿流式搅拌桨研究 I.全混状态下的水射流实验

穿流式搅拌桨桨叶上的开孔所引起的射流对于提高搅拌效率、降低搅拌能耗起着重要的作用。采用模拟实验方法,研究了全混状态下喷孔出口流速、孔径和孔长对水射流半扩展角β和源点xp/D的影响。研究结果表明:喷孔孔径、孔长以及喷孔前流体的湍动程度对射流发展有很大影响,存在一临界喷孔长径比(H/D)0,1.31 (H/D)0 1.67。当H/D≤(H/D)0时,β随速度(或Re)增加而增大,xp/D随Re增加变化很小;当(H/D)>(H/D)0时,β随速度(或Re)增加而减小,xp/D随Re增加而减小。为了获得较好的混合效果,搅拌桨桨叶上的开孔所引起的射流应有尽量大的扩展效果,因此桨叶上开孔的长径比应小于(H/D)0。     

轴对称射流研究进展

综述了轴对称射流的实验研究方法、理论分析和数值模拟。提出了今后应进一步研究的问题：喷嘴前流体湍动程度对射流发展影响的研究；喷孔形状、喷孔孔长、喷孔孔径以及喷孔分布方式对射流发展影响的研究；固—液、气—液、气—固等混合体系射流的研究。     

梅花孔板纵向流换热器壳程流动与传热的三维数值模拟

基于梅花孔板纵向流换热器的三维物理模型,采用RNG k-e湍流模型,对其壳程流动与传热特性进行了数值模拟,以空气为工作介质,考察了孔板开孔率y=0.148, 0.18和0.214的换热器在雷诺数Re=4000~12000范围内的传热和压降. 结果表明,流体流过梅花孔后产生贴壁射流,射流的卷吸和二次流作用有利于流体的混合与传热. 换热器壳程平均努塞尔数Nu和单位长度压降Dp/lz均随开孔率y和折流板间距L减小而增大;与相同条件下弓形折流板换热器相比,在研究范围内,该流换热器的Nu提高了14.9%~52.88%,Dp增减幅度为152.85%~-16.62%,综合性能系数PEC为1.03~1.44,适当增大开孔率y和孔板间距L可提高换热器的综合传热性能.     

液—液分散雾化形成液滴的模式

基于图像采集与处理方法实验研究了水喷入非相溶油中的液液分散雾化过程.结果表明,通过改变操作条件使水破碎形成3种水滴模式:滴流、层流射流和湍流射流,揭示了其演变规律及其形成机理,获得了分散液体破碎强度、射流长度脉动和液滴粒径分布参数随雷诺数Re、韦伯数We的变化规律.随Re和We增加,分散液体破碎强度持续增强,在Re=467,We=8.6时液滴形成模式由滴流向层流射流发展,在Re=3169,We=241时演变为湍流射流,且液滴的粒径均匀性和最小平均粒径均出现在湍流射流模式下;在滴流模式下,液滴的形成、长大与脱离喷嘴均由液滴受力的平衡机制控制;在层流射流模式下,射流柱破碎形成液滴主要由两相界面的表面波扰动引起,且射流长度的脉动具有随机和非周期的特点;在湍流射流模式下,射流柱表面出现拟序涡结构,其在射流起始段失稳,在射流扩散段大量形成较小粒径的液滴.     

低速旋转盘腔内液体流动特性

利用粒子图像测速测试平台研究了低速旋转盘腔轴向中截面的液体流动特性,并利用Realizable k-e模型对低速旋转盘腔内液体流场进行三维数值模拟,模拟结果与实验值吻合较好,最大相对误差为16.9%. 利用模型方程研究了导流板数、导流板相对长度、进口雷诺数和旋转雷诺数对盘腔内液体流动的影响. 结果表明,盘腔体积平均相对速度及涡量受进口雷诺数(Re)、导流板数、导流板相对长度影响较大,当进口Re从17000升至53000时,体积平均相对速度及涡量分别增加2.4倍和1.6倍;当导流板数由0提高至4时,体积平均相对速度及涡量增幅分别为62%和30%;当导流板相对长度由0.5提高至0.93时,体积平均相对速度及涡量增幅分别为114%和58%. 盘腔压损主要受进口Re的影响,当进口Re从17000升至53000时,盘腔压损增长8倍,而导流板数及导流板相对长度对压损的影响较小,增幅均小于5%. 为强化旋转盘腔内流体与壁面间传热,减小流体阻力,应优化进口Re、尽量增加导流板数和长度.     

水力喷射空气旋流器喷孔分布优化

为了进一步提高水力喷射空气旋流器(WSA)的传质性能,采用理论分析与实验相结合的方法,对其喷孔分布进行了优化研究。提出了基于同层相邻喷孔液相射流边界层相交于中心排气管表面的临界孔间距l_c的概念及其计算方法,实验考察了喷孔排列方式和喷孔间距对WSA脱氨传质效果的影响。研究表明,在传质性能上,WSA的射流喷孔按正方形排列优于三角形排列;喷孔间距对脱氨传质效率有明显影响,存在一个较优取值,其值约等于1.28l_c;从上往下到中心排气管出口处计算,侧壁开孔区长度应该占中心排气管长度的78%。研究结果为设计具有良好传质性能的WSA提供了依据。     

填料塔孔口型液体分布器液体穿孔流量系数实验研究

在特制的实验装置中 ,针对填料塔孔口型液体分布器最常见的单孔流量范围 ,实验研究了 8种孔口的流量系数 Cd随孔口结构和雷诺数 Re的变化规律 ,从所得到的 5 0 8组 Cd- Re数据表明 ,各种孔口的 Cd 均与Re密切相关。Re大于 10 0 0 0 ,Cd 为一恒定值 ,在 0 .6 1～ 0 .96范围 ,仅随孔口结构而变 ,Re小于 10 0 0 0 ,Cd呈现出急剧、复杂的变化。实际填料塔液体分布器孔口射流雷诺数多在 10 0 0 0以下 ,故将流量系数作为常数来处理是不够合理的     

轴对称射流研究进展

综述了轴对称射流的实验研究方法、理论分析和数值模拟。提出了今后应进一步研究的问题 :喷嘴前流体湍动程度对射流发展影响的研究 ;喷孔形状、喷孔孔长、喷孔孔径以及喷孔分布方式对射流发展影响的研究 ;固 液、气 液、气 固等混合体系射流的研究     

新型柱形圆盘涡轮搅拌桨性能的实验研究

通过搅拌不同浓度的CMC溶液,研究了新型柱形圆盘涡轮搅拌桨在直径300mm的搅拌槽内的部分搅拌性能。利用实验仪器测出不同转速下的扭矩,进而计算出对应的搅拌功率N、功率准数Np和雷诺数Re,然后借助excel绘制出Re-Np的关系图;借助Matlab软件进行线性回归,得出Re-Np的关联式,并在双对数坐标上绘制出其关系图,可知Re<10时,Np与Re呈现负相关;Re>10时,Np随Re的增加下降趋势变缓。     

循环射流混合槽内湍流强化传热数值模拟及射流层优化

循环射流混合槽(CJT)作为一种过程强化设备可以提高湍流的混合效率及反应选择性。为进一步提高其工业应用价值,对循环射流混合槽流场的传热能力进行分析并对其射流层数进行结构优化。在恒壁温的条件下,采用SST k-ω模型分析循环射流混合槽流场区域的非稳态流动传热特性。在充分湍流状态下研究了Re=3260~16 303,射流层数M=5~9对循环射流混合槽壁面对流传热特性及流场传热特性的影响。结果表明,M=9时对流换热系数的变异系数Ch随Re增加而减少,壁面传热均匀性提高2.8%~19.3%;流场与温度场协同性随Re增加而增加,Re=16 303时的协同角为75.5o比Re=3260时减小约0.5°。Re=9782时Ch随M增加而降低,壁面传热均匀性提高2.7%~16.3%;速度矢量与温度梯度协同性随M增加而减小,M=9时全局协同性相较于M=5时降低了6.1%。当M=7时中心混合区与射流混合区的场协同角均在73°~74°之间,两区域流场间热量传递能力匹配程度较好;当M<7时中心混合区的协同性优于射流混合区,当M>7时射流混合区协同性优于中心混合区。研究Re及射流层数M对循环射流混合槽热量吸收和传递性能的影响,发现Re的变化对循环射流混合槽吸热量的影响大于射流层数M的变化。     

花瓣孔板纵流式换热器的研发及试验研究

提高纵流式换热器在较低雷诺数下的传热效率,关键是改善换热器的管束支撑结构。为了解决现有杆式支撑流通面积大、扰流作用不足以及孔板式支撑结构复杂、加工困难的问题,在对折流杆和孔板支撑进行结构和性能分析的基础上,开发了一种结构相对简单的花瓣孔板支撑,并建立了纵流式换热器的试验模型和试验装置。通过对花瓣孔板与折流杆两种换热器进行对比试验,结果表明：在雷诺数Re=1900～7500范围内,二者的总传热系数K都随着雷诺数Re的提高而增大,花瓣孔板换热器比折流杆换热器的总传热系数K平均提高约40%,但压降稍大。可见,花瓣孔板换热器在较低雷诺数下具有良好的传热和压降综合性能,并且花瓣孔板的结构简单、制造方便。相邻两块花瓣孔板交错布置可实现换热管的全方位约束,因而具有良好的防振和抗振能力。     

液滴滴浸微通道入口段的动力学特性分析

采用流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数捕捉气液相界面,研究液滴滴浸微通道入口段的运动,通过改变微通道入口段的截面宽度、润湿特性及液滴雷诺数(Re)和韦伯数(We)研究滴浸过程的动力学特性。结果表明,微通道入口段的截面宽度对液滴浸入微通道时的撞击过程影响最明显,随截面宽度减小,液滴撞击通道入口后通过微通道的难度增加,整个过程液滴所受阻力逐渐增大;当微通道截面宽度减至0.2 mm时,壁面润湿性效应凸显,表现为壁面静态接触角越大,液滴滴浸微通道时所受的阻力也越大。表面接触角较大时,为使液体通过微通道入口段,可适当增大液滴的Re,液体在通道内的浸润长度随Re增加成比例增大,当Re增至4000时,通道内开始出现射流现象。We减小,表面张力效应变得明显,通道内的流动阻力变大,液体流过微通道入口段的难度增大。     

穿流式搅拌桨在水—磷石膏系统中的搅拌性能研究

模拟工业生产中的磷酸萃取装置中磷石膏的悬浮过程，研究了穿流式搅拌桨在水－磷石膏系统的最佳开孔率值，最佳孔径值，最佳浸润周边值，以及不同开孔率、孔径、浸润周边下功率的变化，以及粘度和转速变化对功耗的影响，得出了临界悬浮值，并在冷模实验的基础上，对穿流式搅拌桨在工业上的应用前景作了预测。     

不同形状喷嘴的射流流动与卷吸特性

在不同雷诺数下,基于ANSYS Fluent 6.3软件对圆、椭圆、正方、十字、三角5种形状喷嘴的射流卷吸特性进行数值模拟,分析了轴向射流时均速度分布. 结果表明,三角形喷嘴的射流轴向最大时均速度最大,不同形状喷嘴的射流轴向最大时均速度均随轴向位置增大呈幂函数关系衰减;射流穿透深度与雷诺数和弗劳德准数存在多元线性关系;随轴向位置增大,射流横截面形状由初始段内喷嘴形状逐渐向圆形转化并最终扩展为圆形边界;射流轴线速度半值宽随轴向位置增加呈线性增大趋势,三角形喷嘴的卷吸率是十字形喷嘴的1.92~2.32倍.     

射流鼓泡反应器中液相体积传质系数的测定

羰基合成反应一般采用射流鼓泡反应器,该类反应器气液混合的方式采用射流而非机械搅拌,其主要优点是结构简单、制作简便、维护费用低。研究该类型反应器的传质系数对于其设计、优化及放大操作均具有重要意义。本研究采用缩颈式圆形喷嘴,以动态溶氧法对射流鼓泡反应器内的液相体积传质系数进行测定,考察了表观气速、射流雷诺数对液相体积传质系数的影响。研究发现,随气速增大液相体积传质系数的变化规律为先增大而后保持不变。维持表观气速不变,随雷诺数增加液相体积传质系数增大,但当表观气速小于0.0012 m/s时,雷诺数对传质改善较小。建立了液相体积传质系数的经验关联式,当气体输入功率占总功率56%时,液相体积传质系数最大,气体鼓泡和液体射流的协同作用最强。     

孔板结构对梅花形孔板换热器壳程传热影响的模拟研究

采用ANSYS CFX对梅花形孔板换热器壳程的流动和传热进行了数值模拟研究,通过分析壳程流场揭示了孔板换热器壳程强化换热机理,得到了3种不同开孔率的孔板换热器壳程平均努塞尔数Nu以及压降Δp随雷诺数变化的规律。结果表明:由于孔板处流道面积较小,流体产生射流效应并伴有二次流现象,在破坏流动边界层的同时增强了流体扰动,强化了换热;3种换热器的Nu和Δp都随雷诺数的增加而增大,开孔率越低换热器的换热性能越好,但壳程压降也越大;开孔率0.215的换热器综合性能参数(Nu/Δp)比开孔率0.173和0.130的换热器平均高28.8%和50.14%。     

折流板脉冲萃取柱的结构参数对孔收缩因子的影响

利用吹气法研究了折流板脉冲萃取柱的结构参数（板间距、柱径和板开孔率）对预测摩擦压降模型中孔收缩因子Co的影响。研究结果表明：当实验体系为硝酸溶液时,Co值随柱径、板间距和板开孔率的增加而减小;当实验体系为30％三烷基氧膦-煤油溶液且柱径不大于0．05m时,Co值与脉冲雷诺数ReAf和板开孔率有关,与板间距无关,而当柱径为0．1m时,Co值与板间距和板开孔率有关,而与操作参数ReAf无关。     

稠密气固两相同轴射流颗粒弥散特性

采用高速摄像仪对稠密气固两相同轴射流中颗粒的弥散特性进行了实验研究。实验结果表明,颗粒流离开未弥散长度后,随气体射流速度增加,存在三种弥散模式,分别为剪切弥散,波状弥散和振荡弥散。未弥散长度随气体射流速度（雷诺数）的关系为 。波状弥散模式下颗粒流波动波长沿射流轴线的发展规律为 。在振荡弥散过程中,随着气体射流速度的增大,颗粒流振荡的频率先减小后增大,在气体速度约65 m·s^-1时振荡频率最小。     

梅花形孔板换热器壳程流动与换热特性模拟

换热器是化工生产的重要设备之一,为了解决传统的弓形折流板换热器存在压降过大和换热效率低的问题,设计了一种新型的梅花形孔板换热器。针对使用简化模型进行模拟研究的局限性,构建了梅花形孔板换热器壳程全三维模型。采用CFX模拟比较了梅花形孔板换热器与弓形折流板换热器壳程的流动换热特性,并进一步研究了孔板间距与换热器性能的相关性,得到了换热管外表面平均对流换热系数h,以及壳程压降Δp随雷诺数Re变化的规律。研究结果表明:梅花形孔板换热器可以有效消除折流板换热器中存在的流动死区并减少壳程压降,同时孔板处流体形成射流破坏流动边界层,强化换热。在模拟雷诺数范围内,孔板换热器的综合性能参数h/Δp相比折流板换热器平均高约12%;相同雷诺数下孔板间距越大换热器综合性能越高。