天然气超音速分离脱水技术研究进展

超音速分离技术在国外的研究与应用已经成熟,但国内的研究仍处于探索阶段。现已开展了较多的基础性研究和数值模拟研究,其中数值模拟研究主要集中在旋流流动过程、内部流动过程和凝结过程等方面,并取得一定成果,但实验性研究仍然较少,特别是在高压天然气的凝结机理及分离机理方面,未见工业性试验和现场测试试验的报道。在结构设计方面做了大量工作,主要集中在对比性分析和敏感性分析,未提出实质性的结构设计方法和思路。在液滴凝结方面的基础性研究更为少见,目前该过程主要由CNT模型和Gyamathy模型来表征液滴成核、生长过程,实际需根据各修正模型特点选择合适模型用于计算分析。今后的研究需加大入口温压、过饱和度、旋流器安装位置、超音速喷管结构参数等主要因素对凝结过程的影响性研究及高压天然气超音速分离脱液实验性研究,提高气体凝结和气液分离效率,尽早实现国内自主产权的超音速分离器的工业化应用,为空间有限的海上天然气的脱水、脱酸、脱重烃处理及外输提供有效手段。     

旋流器后置型超音速分离管流场分析

结合气体动力学和流体热力学原理,设计了一种旋流后置型超音速分离管.针对新结构建立了三维数值计算模型,并结合可实现k-ε湍流模型对超音速分离管内部流场进行模拟,得出了管内轴心上的压力、温度、马赫数及湍动能的分布,同时对不同截面上径向的压力、温度、马赫数及旋流加速度进行了分析.结果表明:当压损比为47.5%时,分离管内Laval渐扩段(距离分离管入口98 mm处)出现明显的激波现象,获得最大马赫数1.736,此时膨胀得到的最低温度为190.52 K,可为超音速分离管提供足够的凝结动力;旋流发生器后面可获得较大的旋流加速度,产生较强的分离效果.     

微喷管过渡区流动的DSMC模拟研究

微喷管性能的好坏关系到微推进器能否提供所需的准确推力及能否具有较高的推力效率,因此微喷管的研究对提高微型推进器的性能起重要作用.针对高温气流的特点,在运用直接模拟蒙特卡罗方法模拟微喷管流动过程中,考虑由于非平衡性而发生的内能松弛等问题,引入分子内能激发和松弛概率,对不同入口压力及温度下高温流体的拉伐尔喷管流场进行了数值模拟,模拟结果表明随着入口流体温度的升高,微喷管的推力效率也随之增长,在低压下入口压力的增大有助于提高微喷管的工作效率,而高压下入口压力的变化对微喷管性能的影响并不显著.     

膨胀率对湿蒸汽自发凝结流动影响的数值分析

结合液滴成核、生长理论,在无滑移假设下,导出了描述存在自发凝结湿蒸汽两相流动的方程组,对喷管中的湿蒸汽自发凝结不平衡稳定两相流动进行了数值模拟,得到了沿喷管轴向蒸汽两相参数的分布。分析了相同进口蒸汽参数和喷管形状下,膨胀率对蒸汽压力、过冷度、水滴半径、蒸汽湿度沿轴向分布和成核率大小的影响。汽轮机内湿汽损失的大小与蒸汽过冷度、水滴半径、湿度大小和由于凝结产生的“压力冲波”剧烈程度等因素有关,膨胀率是影响这些因素的主要参数。通过选择合适的膨胀率,对通流部分进行优化设计,控制蒸汽凝结的成核过程,可以预期减小级的湿汽损失。     

车用催化转换器的数值模拟

用CFD软件对2种不同形状扩张管的催化转换器的速度场、压力场和温度场进行了三维稳态流动数值模拟,模拟结果显示:入口扩张管的形状对催化转换器的气流分布有很大影响,采用圆滑过渡的入口扩张管,不仅可减少压力损失,而且可以使其内部速度分布和温度分布更加均匀.     

亚、跨、超音速CFD方法的研究

文中基于微分算子的物理机制,提出一种隐式分步法——耦合压力和温度修正方法.在曲线坐标系下运用非交错网格技术,将该方法在全马赫数范围内向求解三维粘性流体流动控制方程方向扩展.对Navier-Stokes方程和湍流模型正k-ε方程,分别采用不同的求解方法进行求解.通过对一维收扩喷管流体流动及三维拉伐尔喷管中的超音速粘性湍流流动的数值计算,计算结果与文献中计算结果及试验数据相符良好.进而表明该方法是可行的,对于马赫数变化范围较大的流动具有较高的模拟精度和较快的收敛速度,有广泛的应用前景.     

二元熔盐在螺旋槽管内流动和传热特性数值模拟

为探索数值模拟方法预测二元熔盐在螺旋槽管内的流动和传热特性研究中的可行性,使用Ansys软件对熔盐在不同几何参数的螺旋槽管内的流动和传热特性进行数值模拟。采用半周加热,研究在不同工况下熔盐入口温度和热流密度变化时熔盐的流动和传热特性。通过数值模拟得到了熔盐在螺旋槽管内的流动速度分布云图和矢量图,得到了熔盐在管道出口温度分布云图,并计算得到熔盐在管内的Nu-Re变化曲线。结果表明,熔盐管内流速呈现周期性变化,同时产生二次环流流动。熔盐在螺旋槽管内的传热Nu数和Re数的变化趋势一致,出口温度分布不均匀性较小。随着螺旋槽管槽深的增大,对熔盐的传热效果也相应提高。熔盐入口温度越高,螺旋槽管内熔盐的传热效果越好。     

超声速干粉灭火喷管气固两相射流特性的数值分析

针对超声速气流驱动干粉颗粒形成的缩放喷管气固两相射流,采用拉格朗日方法、气固双向耦合模型以及Shear-Stress Transport k-ω湍流模型进行数值模拟,分析了颗粒装载比、萨夫曼力和入口压力等因素对气体参数、颗粒速度以及颗粒聚集度的影响。结果表明:气固双向耦合模型可以准确的分析气体与颗粒之间的相互作用。当高压气体通过缩放喷管时会产生超声速流动,从而带动颗粒作加速运动;在同一入口压力下,如果颗粒装载比较高,那么颗粒速度较小,且气体参数受颗粒的影响较大。颗粒在喷管扩张段轴线附近聚集,导致轴线到壁面附近区域内,产生沿径向向外的气流速度梯度,这可以解释萨夫曼力使轴线上气固两相的速度增大,并且在高颗粒装载比下的影响更显著的原因。不同入口压力下可能出现欠膨胀、过膨胀和完全膨胀三种不同喷管射流形态;在完全膨胀流态下,颗粒加速和气流降温的效果相对更好。研究结果可为超声速干粉灭火技术的应用提供理论支撑。     

RESS法制备微细颗粒的喷嘴流动模型

通过对超临界流体快速膨胀法（rapid expansion of supercritical solution,RESS）流动过程的简化与分析,建立了喷嘴节流流动过程模型,一维定常过程数学模型的描述包括了锥体入口段、直管膨胀段和到达马赫盘位置的出口超音速膨胀段.给出了模型中的主要计算参数来源以及解算过程的基本思路.据此模型,在给定初值条件下,对各个阶段的流动状态进行模拟计算,得到了流体的密度、压力、温度、速度等参数沿喷嘴轴向的变化数据,并进行了初步验证.该模型和模拟过程能够为实现制备均一微细颗粒的实际操作条件和优化过程参数奠定基础.     

RESS法制备微细颗粒的喷嘴流动模型

通过对超临界流体快速膨胀法(rapid expansion of supercritical solution，RESS)流动过程的简化与分析，建立了喷嘴节流流动过程模型，一维定常过程数学模型的描述包括了锥体入口段、直管膨胀段和到达马赫盘位置的出口超音速膨胀段.给出了模型中的主要计算参数来源以及解算过程的基本思路.据此模型，在给定初值条件下，对各个阶段的流动状态进行模拟计算，得到了流体的密度、压力、温度、速度等参数沿喷嘴轴向的变化数据，并进行了初步验证.该模型和模拟过程能够为实现制备均一微细颗粒的实际操作条件和优化过程参数奠定基础.     

Influences of friction drag on spontaneous condensation in water vapor supersonic flows

A mathematical model was developed to investigate the water vapor spontaneous condensation under supersonic flow conditions. A numerical simulation was performed for the water vapor condensable supersonic flows through Laval nozzles under different flow friction conditions. The comparison between numerical and experimental results shows that the model is accurate enough to investigate the supersonic spontaneous condensation flow of water vapor inside Laval nozzles. The influences of flow friction drag on supersonic spontaneous condensation flow of water vapor inside Laval nozzles were investigated. It was found that the flow friction has a direct effect on the spontaneous condensation process and therefore it is important for an accurate friction prediction in designing this kind of Laval nozzles. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50676002), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (Grant No. 20040005008) and the Beijing Best Innovation Person Selecting Project (2006)     

采空区瓦斯涌出与自燃耦合基础研究

基于漏风渗流方程、多组分气体混溶-扩散方程和综合传热方程,建立采空区瓦斯和自燃耦合数学模型．通过现场实测获得基础数据,用G3程序（有限元数值方法）求解了在煤耗氧和瓦斯涌出共同环境下采空区瓦斯-氧浓度及温度的分布．结果表明,在单纯瓦斯涌出（无消耗氧）条件下,采空区氧被瓦斯稀释现象比较显著;采空区内高强度的瓦斯涌出能够使自燃氧化区域进一步缩小,削弱了煤的自燃氧化进程;自燃产生的热风压也能加剧工作面向采空区的漏风及对采空区内瓦斯的排放．耦合影响随工作面向采空区的漏风量的提高而相对降低．     

水平管道内冰浆流动阻力特性预测模型及比较

为研究水平管道内冰浆流体流动阻力特性,采用两相流混合模型,对不同工况下浆体所表现出的牛顿与非牛顿流变特性给予分段考虑,通过计算流体力学（CFD）模拟方法再现了水平管道内冰浆流体等温流动过程。研究结果表明,当浆体输送速度较高时,Thomas方程可很好地刻画出混合相流体的粘度特性。随着浆体速度降低,利用Bingham流变模型来刻画低速工况下混合相流体的流变特性可获得更为理想的效果。通过对比数值模型及现行实验关系式阻力模型发现,数值计算模型因能综合考虑管道压降的多种影响因素,模型的精度与通用性可得到较好的平衡。文中所验证的4组工况中,数值模型的预测值与实验值间的相对误差均可控制在±15％内。     

混合制冷工质相变换热性能评述与研究

对非共沸混合工质相变换热性能的研究发展进行了评述与分析；回顾了对其换热机理和换热特性计算关联式的研究过程，研究方法和研究结果，以及关于混合工质换热强化技术的研究，对进一步的研究方向和研究方法进行了分析。     

用自动平衡记录仪对Sn—Cd二元系相图的研究

利用自动平衡记录装置对未知的Ｓｎ－Ｃｄ二元系进行热分析（ＴＡ），结果表明，该二组分系统的步冷曲线上有一个转折和两个平台，从而确定了该系统的相图类型，并根据塔曼三角形法确定了低共熔混合物的组成．     

不同入口流速下生物质锅炉尾部烟气凝结的数值研究

生物质燃料燃烧后所产生的烟气中含有大量的水蒸气, 在锅炉尾部添加冷凝换热器回收冷凝热可以有效提高系统热效率。选用的生物质燃料烟气中水蒸气的体积分数为27.9%, 基于Mixture模型并选用Lee模型作为冷凝传质模型对尾部烟气凝结的传热传质特性进行了数值模拟研究。假设流动为稳态, 湍流模型采用标准k－ε模型, 求解选用Simple算法, 研究了烟气侧不同入口流速下(1~4 m/s)温度场、流场及液态水体积分数的变化规律, 对翅片管换热器的表面传热系数及换热量进行了对比分析。计算结果表明, 随着入口流速的增加, 烟气出口温度逐渐升高, 壁面凝结速率不断增大, 而冷凝水量逐渐减少, 同时翅片管换热器的表面传热系数及换热量逐渐增加。     

垂直波纹管(余弦型)冷凝传热研究——波谷区冷凝液流动的有限元解及传热计算

本文提出了在余弦型波纹表面上进行冷凝传热的一个新物理模型。对波纹表面上的冷凝液流动用有限元方法作了精确数值解,求得了二维速度分布及冷凝液体积流动速率以及平均传热膜系数。提出了临界管长的一种计算方法,由所得值进行的传热计算结果与实验值比较接近。     

含不凝气蒸汽在锯齿形表面的凝结传热特性

为了在含不凝气蒸汽凝结过程中获得更高的热效率,提出新型锯齿形强化板并建立其二维模型,使用Fluent软件对锯齿形强化板和相同规格波纹板的凝结传热特性进行对比研究。建立可同时计算不凝气层及液膜层的凝结传热模型并在数值模拟中通过用户自定义函数进行编译,模型的可靠性通过和相同工况下的试验进行对比得到验证。数值模拟得到两种板型表面的两相流动及热质交换特征,发现相比于波纹板,锯齿形板能够显著提高不凝气层的紊流度,利于相界面处传热传质过程的进行;锯齿形板的液膜会在波节的齿峰处产生周期性的断裂后在下游壁面上重新形成并在波谷处达到最大厚度;相比于波纹板,在所研究工况内锯齿形板的换热能力总体提高60%以上。     

Film condensation heat transfer on a vertical porous-layer coated plate

Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｖａｐｏｒｏｎａｃｏｏｌｅｄｗａｌｌｔａｋｅｓｐｌａｃｅｉｎｎｕｍｅｒｏｕｓｔｈｅｒｍａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ,ｓｕｃｈａｓｉｎｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｙ,ｔｈｅｓｔｅａｍｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓａｎｄｔｈｅｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｇａｓｅｓ.Ｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｔｔｒａｃｔｓｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐａｓｔｆｅｗｄｅｃａｄｅｓ.Ｒｅｃ…     

含不凝气蒸汽在锯齿形表面的凝结传热特性

为了在含不凝气蒸汽凝结过程中获得更高的热效率,提出新型锯齿形强化板并建立其二维模型,使用Fluent软件对锯齿形强化板和相同规格波纹板的凝结传热特性进行对比研究。建立可同时计算不凝气层及液膜层的凝结传热模型并在数值模拟中通过用户自定义函数进行编译,模型的可靠性通过和相同工况下的试验进行对比得到验证。数值模拟得到两种板型表面的两相流动及热质交换特征,发现相比于波纹板,锯齿形板能够显著提高不凝气层的紊流度,利于相界面处传热传质过程的进行;锯齿形板的液膜会在波节的齿峰处产生周期性的断裂后在下游壁面上重新形成并在波谷处达到最大厚度;相比于波纹板,在所研究工况内锯齿形板的换热能力总体提高60%以上。