新型多旋臂气液分离器入口旋流头的预分离特性研究

新型多旋臂气液分离器可实现大直径分离器内的气液旋流高效分离,其入口旋流头结构是分离器的重要组件之一。通过大型冷模实验,对入口旋流头结构的液滴群粒径分布进行非引出式在线测量,从压降和分离效率角度考察了旋流头的预分离性能。结果表明,在入口直管段,初始液滴粒径会在高速气流的作用下迅速进行重新分布,粒径分布呈类正态分布,Sauter平均粒径（SMD）为16.8 μm。在16.95 m/s的气速下,液滴群在H/D=2.47~8.48长度内的入口直管段中运动状态稳定,粒径分布未发生明显变化。在高气速的操作条件下,剪切效应和边壁效应共同作用使SMD略有增大。液滴群在流经旋流臂后,粒径分布发生显著变化,出现“双峰”特征,旋流臂对液滴的聚集效果明显。通过粒径分布分析,预测了旋流臂末端的液滴特征。发现旋流头的预分离性能优越,在压降占比仅3.2%~8.4%的情况下,分离效率占比可高达42.8%~62.5%。入口旋流头结构不仅可以为混合相创造强旋流的初始分离环境,还能借助自身结构特点实现对混合相的惯性预分离。     

新型气液逆流撞击洗涤喷嘴的优化

针对一种新型气液逆流撞击式洗涤喷嘴,通过冷模实验,采用溶氧法考察了不同结构喷嘴的气液两相传质性能。结合解析率及流型变化,考察了喷嘴出口直径、切向进液口倾角、旋流室收敛段锥角、切向进液口直径、喷口长度5个参数对传质的影响,确定了优选喷嘴的结构尺寸,分析了该优选喷嘴在不同操作条件下(气速、表观液气比和轴切比)的传质效果。结果表明,优选喷嘴在轴切比为0.4~0.6且气速较高时传质效果较好。     

旋流数为1.0的强旋湍流两相流动的PDPA实验

采用相位多普勒颗粒测速仪 (PDPA)对旋流数为 1 0的轴向和切向进风的圆柱形旋风筒内强旋湍流气粒两相流动进行了测量研究 ,并与旋流数为 0 47、 1 5和 2 0 8的实验结果进行了对比分析 ,指出了旋流数变化对两相流场及两相湍流特性的影响 .     

新型双通道煤粉燃烧器流场模拟

为了优化新型双通道煤粉燃烧器结构参数,采用计算流体动力学软件建立燃烧器-回转窑物理模型,使用κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,对回转窑内流场进行冷态数值模拟。分析旋流角度和旋流风速变化对回流区的影响,结果表明:喷嘴附近二次风存在旋转现象;旋流风角度增大,回流区范围扩大,向靠近燃烧器方向移动,旋流风速增大,回流区范围增加幅度较小;低旋流角度,依赖轴向速度差卷吸二次风,高旋流角度加快旋流风径向扩散,不利于卷吸二次风。     

湿蒸汽非平衡凝结流动的热力学特性

水蒸气凝结两相流动呈现高度的非平衡特性。目前,凝结参数都是利用半经验公式得出,很少考虑两相间传热温差以及耦合问题。在湿蒸汽两相流输运方程的基础上,建立了一种准确简单的凝结成核和水滴生长模型,采用具有较好激波捕获效果的高精度二阶TVD格式进行离散,计算了湿蒸汽非平衡凝结流动参数及凝结冲波分布。着重研究了湿蒸汽非平衡凝结流动的热力学特性,讨论了进口压力对凝结特性的影响,归纳了进口过冷度对成核率、水滴数、凝结冲波形态的变化规律。研究表明:进口压力增加,凝结位置逐渐向上游移动;进口过冷度降低,凝结位置向下游移动,达到较高的Mach数后,才会出现凝结成核;进口过冷度越高,非平衡凝结相变产生的湿度越高。凝结冲波出现后,湿蒸汽沿喷管继续高速流动,其流动规律与等熵流动相似。     

旋流压力式喷嘴低压喷淋液滴粒径的实验研究

以自来水为喷淋介质,对旋流压力式喷嘴低压喷淋液滴粒径进行了测试,分析了压力、喷孔直径和喷嘴流量对液滴索特平均直径(d_(SMD))的影响规律,研究了旋流压力式喷嘴液滴尺寸的分布规律。采用跨径(K)和均匀度指数(N)来揭示喷嘴低压喷淋质量。实验结果表明,d_(SMD)较大,超过250μm；d_(SMD)随喷孔直径增大而增大,随压力和喷嘴流量增大而减小；喷淋液滴尺寸分布均匀性较好,K小于0．65,N大于4。实验结果可以为旋流压力式喷嘴设计和改进提供重要的实验依据。     

A momentum integral model for central recirculation in swirling flow in a sudden expansion

A momentum integral model is developed to predict the size and maximum recirculating mass flow rate for the central recirculation zone produced by a swirling flow in a sudden expansion as a function of expansion ratio, swirl intensity, and inlet velocity profile shape. Experimental measurements of velocity profiles in the recirculating flow are presented for three different expansion ratios and are used to validate the model. The model is shown to give good agreement with the measurements. The recirculation rate is found to increase roughly linearly with inlet swirl intensity and expansion size.     

压力旋流喷嘴雾化滴径分布的模型预测和实验

利用激光片光荧光诱导技术（PLIF）测得不同液体流量下的压力旋流喷嘴雾化滴径分布,用平均粒径约束的三参数最大熵模型对雾化滴径分布进行预测。将理论预测分布与实验结果进行拟合,得到广义伽玛参数α随着液体流量变化的一般表达式。用拟合模型对粒径分布的特点和规律进行总结,结果表明：拟合模型能很好地预测粒径的数量分布,且不受小液滴的影响;随着液体流量的增加,液滴粒径分布范围逐渐变窄,峰值液滴粒径呈线性减小趋势,峰值液滴百分数呈线性增加趋势。     

Factors affecting the performance of a 2-D natural gas combustor model

Confined turbulent swirling combustion data obtained from gas chromatographs, gas analysers, thermocouples and a hot wire anemometer for a wide range of operating conditions are analysed. The effects of swirling flow, inlet velocity and equivalence ratio on different parameters with and without secondary air are discussed. The experimental data obtained have facilitated better understanding of swirl reacting flow and provided generalized relations for the turbulent viscosity and chemical reaction required for the development of numerical prediction methods.     

双循环旋风分离器除尘机理的数值模拟

双循环旋风分离器通过将主进口设置在筒体中部,将顶部进气口设置为回流口,消除了进气口附近的二次流,避免了短路流,将大于3μm颗粒的分离效率提高至接近100%,并避免了少量11—15μm颗粒的短路逃逸。为了探索该设备的除尘机理,借助CFD软件,通过数值模拟研究的方式,辅助分析了2种进气口在分离性能上不同,传统旋风分离器不能完全分离3—8μm和11—15μm颗粒的机理,以及消除二次流的方法。计算结果表明:当回流气速低于主进气速时,会产生类似于顶端进气口的现象,即二次流、灰环和短路流,降低了小于6μm颗粒的分离效率。当回流气速略大于主进气速时,可以完全消除主进气口附近的二次流,使得所有粒径颗粒的分离效率都较高。模拟结果与实验结果从定性的角度符合较好。     

连铸板坯滑动水口三维流场湍流计算模型比较

分别采用标准k-e模型、雷诺应力模型(RSM)和超声波多普勒测速(UDV)方法对滑板控制浇注流量浸入式水口内部和出口流动特征进行对比分析,并探讨湍流模型对滑板浇注系统数值模拟的适用性. 结果表明,由于滑板的节流作用,在滑板下方的水口内出现高度约为80 mm的二次流,在滑板下方100 mm处出现高度为50 mm的分离流,并在水口出口出现旋转出流,其方向由滑板堵塞侧、经水口底部向滑板开启侧旋转. 标准k-e模型计算的水口出流的旋转方向与UDV测量的旋转方向相反,RSM计算结果与实验测量结果比较吻合,具有更好的适用性. 并从分子动力理论角度、各向同性假设和历史效应等方面,分析了标准k-e模型存在的理论缺陷.     

采用增大凝结液滴方法的锥芯超音速旋流分离装置性能研究

To improve the separation performance of a supersonic gas separation device for the treatment of gas mixture with a single heavy component, a novel structure with shorter settlement distance was constructed and a method of droplet enlargement was applied. A series of experiments were carried out in the improved separation device under various conditions, using air-ethanol vapor as the medium and micro water droplets as nucleation centers. The effects of the inlet pressure, temperature and relative humidity, the swirling intensity, and mass flow rate of water on the separation performance were investigated. The separation was improved by increasing the inlet pressure and relative humidity. With the decrease of swirling intensity and mass flow rate of water, the separation efficiency increased first and then decreased. The inlet temperature had a slight effect on the separation. The results showed that the separation performance was effectively improved using the proposed structure and method, and the best separation in this study was obtained with the ethanol removal rate about 55% and dew point depression 27 K. The addition of water had little pollution to the air-ethanol vapor system since the water carry-over rate was within the range of %-0 in most cases.     

无填料热源塔吸热效率实验

建立无填料热源塔热泵系统实验平台,研究不同进风位置、喷嘴位置、室外空气干球温度、相对湿度、风量、溶液入口温度下无填料热源塔吸热效率的变化规律。结果表明：进风位置和喷嘴位置对热源塔的吸热效率会产生影响,下喷式无填料热源塔吸热效率高于上喷式无填料热源塔;干球温度与吸热效率无明显相关性,但干球温度升高,热源塔从空气中吸收的总热量增加;相对湿度和风量升高,吸热效率提高;溶液入口温度升高,热源塔的吸热效率明显提高。与其他参数相比,溶液入口温度对热源塔的吸热效率影响最大。     

高速煤粉燃烧器内燃烧特性数值模拟及结构优化

高速煤粉燃烧器火焰喷射速度高达60~200 m/s,炉膛内火焰较长,对流换热比例提高,使得炉膛内温度分布均匀,没有传统低速煤粉燃烧器火焰短,炉膛内局部过热和结焦等缺点。笔者以14 MW高速煤粉燃烧器为研究对象,采用数值模拟的方法,研究旋流强度、二次风温度等关键参数对燃烧器内煤粉燃烧的影响,针对燃烧器内煤粉燃烧特点进行结构优化设计。对旋流强度研究结果表明,当旋流强度S=2.2、2.8、3.2及3.7时,燃烧器内回流区形状变化不大,从一次风喷口开始到旋流叶片位置结束,回流区环绕一次风管;最大回流量在一次风喷口附近,距离一次风喷口越远,回流量越小;旋流强度对一次风喷口附近最大回流量影响不大,喷口附近最大回流量均在0.45 kg/s左右,当距喷口超过一定距离(L/H<0.35)时,旋流强度对回流量的影响开始变得明显,表现为旋流强度越大,回流区末端回流量越大,回流区末端回流量最大为0.30 kg/s,最小为0.17 kg/s。研究燃烧器喷口处燃烧状态表明,喷口处火焰旋流强度为0.10~0.28,与入口旋流强度正相关,火焰喷射速度150 m/s,为中等旋流强度的高速旋流火焰;喷口中心区可燃性组分富集,缺氧,燃料和氧气分层分布。当旋流强度提高,喷口中心区可燃性组分浓度降低,CO浓度从11%降低到10%,H2浓度从1.65%降低到1.40%,焦炭浓度从0. 14%降低到0. 11%,喷口边缘O2浓度从13%降低到10%。旋流强度S=3.2和S=3.7时可燃组分和氧气浓度分布变化较小,说明旋流强度提高对燃烧的影响减弱。考察0、100和200℃下二次风温度对燃烧的影响,结果表明,当二次风温度提高,煤粉在燃烧器内的反应时间有所降低,从0.15 s降低到0.11 s,但燃烧器内的煤粉碳转化率提高20%,达到65%。对燃烧器结构进行优化,加入中心风,对比中心风直流和旋流与不加中心风3种状态,结果表明,加入旋流中心风和直流中心风后喷口中心区半径r≤75 mm范围内可燃组分浓度降低,采用直流时由于气流刚性较强,喷口中心区氧气浓度升高,采用旋流中心风对中心区氧浓度影响弱,对可燃组分浓度降低效果优于直流中心风。     

顶置单喷嘴气化炉旋流场特征研究

受限旋转射流流场特征的研究对顶置单喷嘴气化炉的开发、结构优化以及长周期稳定运行有重要意义。本文对不同旋流数下顶置单喷嘴气化炉内的速度场和停留时间分布进行了实验研究。结果表明：随着旋流数的增加,切向旋转速度显著增加,气化炉内轴向速度衰减加快,回流区减小;气量一定时,随着旋流数的增加,气化炉内气体的最短停留时间显著增加,停留时间标准差减小。     

两级组合式除雾器的分离性能分析

为研究两级组合式除雾器的分离性能,对两级旋流式、组合式、两级折流式3种除雾器进行性能分析。通过数值模拟方法分析除雾器内部流场差异,通过搭建实验平台,利用高速摄影技术并结合除雾器流场分布分析液滴在除雾器内部运动行为,进而从压降损失、分离效率、出口液滴粒径等方面开展除雾器分离性能的实验研究。结果表明：液滴在折流板内主要靠撞击叶片累积形成液膜而被捕集,在旋流板内沿叶片边缘滑动,以接近叶片倾角角度向壁面运动形成液膜被捕集;随入口截面速度增加,3种除雾器压降均逐渐增大,差值不断增加,两级旋流式除雾器压降最高;当入口截面速度低于5.7m/s时,两级旋流式、组合式除雾器分离效率均接近100%,同时组合式除雾器出口液滴中位粒径始终低于入口液滴中位粒径,并小于其余两种形式除雾器,对小粒径液滴分离能力显著;当液相流量从6.2m³/h逐步增加至13.7m³/h,3种形式的除雾器分离效率随液相流量增加呈下降趋势,其中两级旋流式除雾器在高气速、高液相流量下适应性最强,同时3种除雾器出口液滴中位粒径总体呈现下降趋势,其中组合式除雾器出口液滴中位粒径仍居于最低水平。     

跨临界CO2快速膨胀过程中非平衡冷凝和闪蒸机理的数值研究

跨临界CO₂在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变。其中在天然气超声速分离设备和超临界CO₂离心压缩机中CO₂会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO₂在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变。为解决跨临界CO₂在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO₂在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性。研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面。冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后。在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO₂在喷嘴的渐扩段达到声速。随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小。本研究有助于厘清跨临界CO₂快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO₂膨胀设备的分析和优化设计提供参考。     

Flow field in the freeboard of vortexing fluidized bed

A systematic investigation on the flow field in a vortexing fluidized bed cold model was reported. The gas velocity profiles within the freeboard with diameters of 0.19 m and 0.29 m were measured by using a five-hole pitot tube. A new parameter, called vortex number, V_or defined as the ratio of tangential velocity to axial velocity of the swirling gas stream, was proposed for representing the swirl intensity. V_or is found to be increased with secondary air velocity, and decreased with primary air velocity and diameter of secondary air nozzles. It is also found that the profile of swirl flow is significantly affected by the arrangement of the secondary air nozzles. The effects of inserted length of secondary air nozzles and geometric structure of expansion section on the swirl flow are also studied. Based on the experimental data, a correlation is presented to estimate the vortex number. Vortex number is found to be a function of the geometric structure of exhaust tube, diameter of secondary air nozzle and tangential air flow rate.     

跨临界CO2快速膨胀过程中非平衡冷凝和闪蒸机理的数值研究

跨临界CO₂在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变。其中在天然气超声速分离设备和超临界CO₂离心压缩机中CO₂会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO₂在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变。为解决跨临界CO₂在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO₂在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性。研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面。冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后。在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO₂在喷嘴的渐扩段达到声速。随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小。本研究有助于厘清跨临界CO₂快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO₂膨胀设备的分析和优化设计提供参考。     

天然气脱蜡旋风分离器分离效率的模拟

旋风分离器分离效率高,不易堵塞,用于天然气脱蜡效果显著。通过CFD软件Fluent模拟CYG-S型天然气脱蜡旋风分离器的两相流场,得到了旋风分离器内的压力、切向速度、轴向速度分布。对比了不同入口速度下的模拟与理论计算的分割粒径x50,发现具有很好的吻合度,两相模拟有一定的可靠性。结果表明：在旋风分离器锥段底部靠近壁面处的石蜡液滴质量浓度较高;随着进口流量的增加,旋风分离器分离效率提高,当进口流量为1000 m3/h时,x50可以达到5.3 μm;大粒径液滴的分离效果明显,但在所研究的进口流量范围内,进口流量的变化不能明显地影响粒径小于5 μm液滴的分离效率;柱段和锥段长度的增加使得旋风分离器的整体长度增加,延长了液滴在旋风分离器内的停留时间,提高了旋风分离器的分离效率。