气液逆流接触过程及液滴夹带特性

为了探究喷淋塔内气液逆流接触流动特点及液滴夹带特性,采用激光粒度仪及湿法等动取样对实验模型内液滴粒径分布及含液率进行测量,并结合高速摄影技术对喷淋液层气液两相流动特性进行跟踪拍摄。结果表明:根据气液逆流接触特点可将液层流动分为波动区、破碎区及夹带区;截面气速及液相体积流量的增大使得气液间作用力增强,夹带液滴粒径减小;由于碰撞作用双层喷淋下夹带液滴粒径相对于单层喷淋下较小;液滴在上行过程中运动复杂且多变,液滴的不规则运动及气相流场的复杂性是造成夹带区内液滴粒径分布波动的主要原因;定量得出气液逆流接触过程受气相夹带液滴粒径分布范围,研究结果可为喷淋塔内传质及传热过程提供参考,同时可为除雾器的开发提供设计依据。     

正弦波纹挡板式沉降器内流动特性

采用VOF模型对正弦波纹式入口挡板的重力非均相沉降器内流场进行数值模拟研究。对比了正弦波纹挡板与平挡板的平均流场分布情况,分析了沉降器的轴向流速均一程度（λ₁）随时间演化特性,探究了λ₁和面积加权平均湍流强度（I_a）在沉降器内空间分布特性;引入流场均稳指标USC,研究了冲击间距（L_b/D）对USC的影响。结果表明：正弦波纹挡板作为入口构件可以有效降低返混。在0.84＜L_b/D＜2.17范围内,正弦波纹板沉降器内流场的均一程度整体高于平面挡板;随着L_b/D减小,平挡板沉降器内流场的λ₁基本不变,但正弦波纹挡板沉降器内流场的λ₁降低,且对I_a的影响不明显。对比平挡板,正弦波纹挡板可以有效降低轴向速度的梯度,使返混区面积减小,流场稳定性提高。随着L_b/D增加,USC值呈现多峰值趋势,L_b/D=2.17时正弦波纹板沉降器的USC取得极大值为14.68,较平挡板提高了93.67%。     

多排平直翅片管换热器表面气液降膜流动特性的三维数值模拟

基于VOF模型建立了考虑重力、表面张力及界面摩擦力源项的多排平直翅片管换热器表面气液两相降膜流动三维瞬态CFD模型。不同气流速度下液膜厚度模拟结果与文献中试验值吻合较好,最大偏差小于5%,表明所建立CFD模型是可靠的。通过研究壁面接触角为30°时不同气液Reynolds数下液膜流动特性,结果表明：翅片管表面满膜流的临界Reynolds数Re_l为239,临界喷淋密度为0.06 kg/(m·s);在239 ≤ Re_l ≤ 995内,其平均液膜厚度较Nusselt理论解高16.8%～35.1%;气液逆流和顺流时气相Reynolds数Re_g应分别小于2190.7和3286.0,其主要原因在于过高的Re_g会导致气液界面摩擦力快速增大,从而引发液膜破裂和液滴脱落等现象恶化设备性能。总之,气液顺流更有利于在较高气相Reynolds数下实现翅片管表面的较薄满膜流动。     

正弦型微通道内液-液两相流型及流动特性实验研究

采用实验的方法对不混溶的液液两相流体在不同入口结构下的正弦微通道(直通道正弦、波峰正弦和波中正弦)内液滴的流动特性进行了分析。硅油作为离散相,含有0.5% SDS的蒸馏水作为连续相,观测到弹状流、滴状流和射状流。分析了两相流动参数及不同的微通道入口结构对流型和液滴长度的影响。流型受微通道入口结构影响较大,波峰正弦微通道能够生成最大范围的稳定的流型。液滴长度随离散相体积流量和离散相与连续相体积流量之比的增大而增大,随连续相的体积流量和毛细数的增大而降低。微通道入口结构对液滴长度有影响,直通道的正弦微通道内液滴长度最短,更有利于液滴的形成。三种通道生成的液滴中,最大的液滴尺寸是最小的液滴尺寸的1.15~1.39倍,但正弦流动段对液滴速度几乎没有影响。     

湿法烟气脱硫塔内传递与化学反应过程CFD模拟

以某330 MW燃煤发电机组湿法烟气脱硫塔为研究对象，采用欧拉-拉格朗日方法建立了塔内气-液两相流动、热质交换模型，以溶解平衡、质量守恒及电荷守恒描述浆液内13种溶质组分瞬时化学反应特性，通过用户自定义函数实现流动模型与传质模型、化学反应模型的耦合。基于上述模型预测了脱硫塔内气-液两相流动、液滴蒸发与SO₂化学吸收过程，获得了SO₂浓度与浆液pH的径向分布特性，详细分析了气-液流动对化学吸收特性的影响，结果表明局部液气比分布特性是影响SO₂径向分布的关键因素之一，可通过调控近壁区及主管道区的两相流动状态提高脱硫塔的吸收性能；随着气相侧SO₂浓度提高或液滴粒径减小，浆液pH下降速率增大且各化学组分浓度达到稳定状态用时缩短。     

跨/超临界多相射流过程瞬态密度场可视化实验

利用一种改进的高时空分辨率相移干涉仪,探究跨/超临界射流过程中不同于亚临界条件下的射流特性,测量了不同跨/超临界射流过程中相变化界面的瞬态密度场。相移干涉仪采用马赫-曾德尔型干涉仪的基本排布,通过像素阵列掩模法实现了传感器同时获得多相位的干涉图像,空间分辨率可达3.45μm,时间分辨率可达0.001s。实验中通过相移干涉仪实现了对液相-超临界相、超临界-气相射流过程的可视化研究,实时定量化测量了瞬态密度场。结果表明,液相流体射流到超临界环境中（p_r=1.01,Re=79.738）,射流界面不会产生类似亚临界条件下的微小液滴,而是在边缘出现高度褶皱的相平衡层,与文献取得一致的结果;可视腔底部的射流流体密度初始处于712.82kg/m³,随着射流的进行,与周围低密度流体相互作用,密度降低到310kg/m³。超临界相流体射流到气相环境中（p_r=0.98,Re=87.340）,射流界面发生破碎;随着高密度射流流体（314.99kg/m³）从底部向上流动,底部的密度逐渐降低到288.12kg/m³,射流相变化界面的法向有很大的密度梯度,最大值为1.565×10⁴kg/m⁴。     

乙醇水溶液单液滴碰撞热壁面的动态演化特性

乙醇添加剂能显著改变去离子水基液滴碰壁动态特性。本文设计并搭建了液滴碰壁动态演化及传热研究实验台,并就溶液表面张力、液滴韦伯数（We）、壁面温度等对液滴碰壁的特性影响进行了实验研究。结果表明乙醇添加剂能够有效增强液滴润湿特性,促进液滴的雾化和破碎现象,同时抑制液滴反弹能力。并且这一能力随着乙醇溶液浓度的增大而增强。润湿特性随着液滴We的增大呈现出先增强后发生反弹现象的趋势,乙醇添加剂能够有效地抑制这种反弹趋势,并使混合液滴继续发生铺展现象。壁面温度125℃时,当We由15增大到33时,水基液由铺展阶段过渡到反弹阶段,而添加乙醇使得液滴继续铺展,没有发生反弹现象。乙醇添加剂能够明显地提高液滴由铺展到反弹的临界转变温度（T_CHF）,扩大液滴核态沸腾对应的温度区域,延迟液滴进入过渡沸腾阶段。     

喷雾冷却中液滴撞击带气泡液膜的数值模拟

在喷雾冷却过程的核态沸腾区,液滴与液膜及液膜内气泡的撞击对过程传热有重要影响。本文建立以水为冷却工质的单液滴撞击带气泡液膜的二维数值模型,模拟研究过程现象和传热规律。结果表明,We为6.94、量纲为1的液膜厚度为0.5（对应液滴速度0.5m/s、液膜厚度1mm）时,撞击过程中液膜扰动不显著、运动形态近似波纹;当We增大到111.11（对应液滴速度2m/s）时,撞击过程中液滴与液膜接合处的表压达到6000Pa,成为颈部射流现象的推动力,并逐步发展形成冠状水花;撞击过程中气泡的存在会阻碍液滴与加热表面的直接接触,但随着气泡的破裂,液滴与加热表面直接接触换热,使撞击点附近表面传热系数远大于其他区域,提高了传热能力,且液膜厚度越小、液滴速度越大,表面传热系数峰值越高。研究结果可为喷雾冷却系统的进一步研究提供理论依据。     

毛细管内气液Taylor流动的气泡及阻力特性

采用相对坐标系方法,研究毛细管(d 2mm)内充分发展垂直上升气液Taylor流动,分析两种工作介质下Taylor气泡的形状、上升速度、液膜厚度以及压降特性。结果表明:随着两相表观速度(V_tp)增大,Taylor气泡长度增大,气泡尾部曲率半径增大。气泡长度及内部回流区随着气泡体积分数(ξ_g)增大而增大,量纲1液膜厚度与气泡上升速度与毛细数(Ca)正相关,模拟结果与经验公式吻合较好。摩擦阻力因子(f_c)随V_tp与ξ_g的增大而降低,N₂/乙二醇为工质的Taylor流动f_c低于单相情况,而N₂/水为工质的Taylor流动f_c高于单相情况。Kreutzer等的流型依赖公式以及Lockhart等的分离模型可较好预测本文的两相压降,模拟结果与预测值的误差在±10%以内,常规通道所推荐C 5仍然适用于本文毛细管情况。     

基于图像法的环雾状流液滴参数测量与分析

环雾状流广泛存在于石油化工领域,其内部流场测量具有重要意义。本文结合光学图像法和高速摄影技术对撞针式喷嘴的雾化特性进行了测量分析,以此为基础对基于雾化混合的环雾状流中夹带液滴特性开展了实验研究。利用高速摄影技术对喷雾进行可视化,采用单帧单曝光法对液滴尺寸和速度信息进行提取。研究发现,液滴速度随轴向距离增大呈衰减趋势,且相同轴向距离（约在径向位置10mm处）条件下,速度达到峰值;液滴索泰尔平均直径（SMD）随喷嘴孔径d₀的增大而增大,并与液相质量流量m_l和喷嘴上下游压差?p均呈负相关;另外,在环雾状流环境中,相同气压条件下液滴SMD随气相体积流量Q_g增大而减小,而相同气相体积流量条件下SMD随气压p_g增大而增大。基于实验测量结果,以气相韦伯数We_g和液相雷诺数Re_l为主影响参数,引入相间滑移和压力系数建立了基于量纲分析的环雾状流液滴SMD预测模型,平均绝对百分比误差MAPE为11.4672%。     

转炉一次除尘新OG系统高效喷淋塔喷嘴雾化特性的模拟

利用离散相模型对转炉一次除尘新OG系统高效喷淋塔内喷嘴的雾化特性进行模拟,分析了喷射角度、喷射压力、喷射流量及喷嘴水平间距等因素对雾化场索太尔平均直径(SMD)和蒸发效率的影响. 结果表明,在一定范围内随喷射角度增加,液滴在雾化场中的覆盖面增大,液滴驻留时间变长,蒸发效率增加,雾化场SMD减小,喷射角度大于60o时,SMD值减小缓慢. 随喷射压力增大,液滴蒸发效率增加,雾化场SMD减小,压力大于1.0 MPa时对SMD的影响较小. 随喷射流量增加,液滴蒸发效率减小,雾化场SMD增加,流量小于0.15 kg/s时,SMD增加幅度偏小. 两喷嘴水平间距越大,液滴分布面积越大,但对雾化场SMD影响较小. 在一定条件下,喷嘴间距约为800 mm时,截面速度分布较均匀.     

三维槽道的周期性层流流动与传热

应用数值模拟方法分析了以周期性方式布置不同节距比(PR=L/H)、倾角为45°挡板槽道的流动特性与传热特性。挡板在槽道上下壁面对齐布置高度比(BR=b/H)为0.2,以便在槽道内部形成一对沿流向的反向旋涡。数值模拟计算Reynolds数范围为100~1000,流体介质为空气。计算结果表明:布置斜置挡板后,在槽道内诱导产生了沿流向的旋涡流,且在测试段中旋涡流冲击槽道上下壁面和槽道一侧壁面,结果使得传热效率提高;分析了范围内平均Nusselt数比Nu/Nu₀、摩擦系数比f/f₀及传热增强系数η随节距比PR和Reynolds数的变化关系,并建立了相应的准则关系式;当挡板间节距比为0.5时,传热增强系数可达最大值3.0。     

伞罩型除尘脱硫塔内气固二相流数值模拟分析

利用FLUENT软件对新型的伞罩型湿法除尘脱硫塔内的三维二相流场进行数值模拟,气相采用κ-ε湍流模型,颗粒相采用离散相模型(DPM)和欧拉模型,选择SIMPLEC算法进行计算。分析塔内x=0截面的气固二相的浓度,体积分数、速度矢量和压力等参数的分布。结果表明,伞形罩使烟气在塔体内分布得更均匀,延长了气体在塔内停留时间,从而实现高效净化气体的目的;在入口粉尘浓度很低的情况下,DPM更适合气固二相流。模拟结果对设备的优化设计和实际运行有一定的指导作用。     

混合澄清槽澄清室内流场特性测量

混合澄清槽被广泛应用于稀土溶剂萃取过程,在澄清室内的分相过程是非常重要的环节。采用粒子图像测速技术对澄清室内速度流场进行了测量,比较了不同操作参数下,主要包括混合室搅拌转速、油水两相体积分数以及不同挡板设计对澄清室内流场结构的影响。搅拌转速作为能耗输入,与澄清室内速度矢量大小呈正相关关系;增加油相后,对澄清室内流场结构影响不大,但会使得流动方向发生变化,且使得湍动增加。挡板设计是强化澄清室分相性能的重要途径,对不同挡板组合的澄清室设计进行了测量分析,对挡板形状(Ⅴ形与矩形)、挡板数量与安置位置的影响进行了比较,并采用电导率仪获得澄清室水相出口处溶解性总固体浓度,表征油相夹带情况,对不同挡板设计进行了比较和优化。     

Polyamide-6 polymerization and its melt flow in the VK tube reactor with optimized baffle structure

The flow mechanism of Polyamide-6 (PA6) melt over conical perforated baffles in the VK tube is elucidated by computerized analysis based on a rational assumption of Stokes' flow. The governing equations for a two-dimensional flow are solved by the finite difference method to generate the stream function profile, velocity field and residence time distribution. Optimization of the geometries of the baffle structure brings about a uniform residence time distribution, so as to ensure a homogeneous extent of reaction for the final product. The complete mathematical model for PA6 polymerization while flowing through the VK tube was established according to PA6 hydrolytic polymerization kinetics. The optimized baffle structure was shown to be compatible with the desired polymerization variables.     

基于颗粒动力学理论的搅拌器中固液流动的数值模拟

在欧拉双流体模型基础上引入颗粒动力学理论(KTGF),对带挡板圆盘涡桨式搅拌器内的固液两相流动进行数值模拟。结果表明,搅拌器底部颗粒温度分布与固相浓度分布趋势吻合,转速低于600 r/min时,槽底会形成明显的颗粒沉积,转速从600 r/min增至1500 r/min,堆积区向轴中心收缩,基于颗粒动力学理论可以合理解释挡板及叶轮转速对固相浓度分布的影响。随叶轮转速增大,搅拌器内固液两相湍流运动加剧,颗粒温度、湍动能及轴向速度增加,颗粒分布更均匀,但达到完全悬浮状态后颗粒温度趋于稳定。搅拌器底部和挡板处颗粒堆积导致了局部颗粒浓度增加及颗粒平均自由行程减少,颗粒温度反而降低;同时挡板布置使搅拌器内形成了双循环回路,加强了流体的湍流程度,增强了湍动能,但导致颗粒在挡板处积聚,不利于固相在挡板处均匀分布。     

下进风袋式除尘器内部气固两相流动数值模拟

为了研究袋式除尘器滤袋失效机理 ,进一步指导除尘器的设计、运行和改进 ,通过简化滤袋结构和应用结构化 /非结构化混合网格技术 ,对DMC180型下进风袋式除尘器实际运行条件下的内部气固两相流动进行了数值模拟。计算结果表明 ,袋室内形成了旋涡回流和不均匀压力场 ,袋室后端滤袋组过滤速度和滤袋间隙速度大大超过最大允许值 ,是后端滤袋易于磨损失效的主要原因。通过计算还得到了不同处理风量和过滤介质表观渗透率条件下 ,各滤袋组过滤速度和颗粒沉积量分布规律。指出了该型袋室结构设计缺陷和改进方向     

Taylor vortex flow in presence of internal baffles

We present a study on Taylor vortex flow in between a rotating inner cylinder and a stationary outer cylinder with vertical or horizontal baffles. A mineral oil is used as the working fluid in the annular channel of 60 mm in height and 11.6 mm in gap width. The flow pattern in the annulus is investigated by particle image velocimetry (PIV) and computational fluid dynamics (CFD). Both the experimental and simulation results show that the presence of vertical baffles influences the vertical positions of vortices—it is primarily significant for the bottom vortex. Increasing number of vertical baffles gradually decreases the azimuthal variation in the vertical position. The baffles also lead to the occurrence of a circulation flow immediately upstream and downstream each baffle plate in the radial–azimuthal plane. On the other hand, an annular horizontal baffle with sufficient width alters the vortex structure in the gap, for instance, fewer vortices are observed. With two horizontal baffles in the annulus, the flow pattern is largely affected by the baffle width and the distance between the two baffles. This study provides a better understanding of Taylor vortex in presence of internal baffles, which will be important for practical applications of Taylor vortex devices.     

THE INFLUENCE OF SPRAYING ANGLE ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF FGD SPRAY TOWERS

A model for aerodynamic characteristics predictions of flue gas desulfurization scrubber was developed. Droplets motion was considered as two-dimensional and initial droplets velocity and spraying angle were assumed as parameters. The presented model is able to predict pressure drop caused by the presence of spray, local dispersed phase concentration and droplets residence time for co- or counter-current apparatus. The results obtained for constant initial, vertical component of droplets velocity were compared to those evaluated for constant initial drops velocity (module). A range of applicability of one-dimensional model developed only for vertical drops motion is given.     

Comparison of heat transfer performances of helix baffled heat exchangers with different baffle configurations

Numerical simulations were performed on flow and heat transfer performances of heat exchangers having six helical baffles of different baffle shapes and assembly configurations, i.e., two trisection ba...