90°弯管流动加速腐蚀的实验和数值模拟

针对超\超超临界机组给水、疏水系统的流动加速腐蚀（FAC）问题,采用了实验和数值模拟相结合的方法来分析90°弯管的腐蚀情况。实验中,利用电化学方法测得不同入口速度下弯管的FAC速率,并对实验数据分析;利用数值模拟的方法,计算出不同入口速度下弯管的流场;最后,基于M.I.T模型,在常温条件下简化90°弯管的FAC模型,结合场协同理论从流体动力学角度分析了弯管不同位置的FAC分布的特点及影响因素,得出在沿流动方向上传质系数越高,指向截面中心的径向速度越大,弯管FAC速率越大。     

90°弯管流动加速腐蚀的实验和数值模拟

针对超\超超临界机组给水、疏水系统的流动加速腐蚀(FAC)问题,采用了实验和数值模拟相结合的方法来分析90°弯管的腐蚀情况。实验中,利用电化学方法测得不同入口速度下弯管的FAC速率,并对实验数据分析;利用数值模拟的方法,计算出不同入口速度下弯管的流场;最后,基于M.I.T模型,在常温条件下简化90°弯管的FAC模型,结合场协同理论从流体动力学角度分析了弯管不同位置的FAC分布的特点及影响因素,得出在沿流动方向上传质系数越高,指向截面中心的径向速度越大,弯管FAC速率越大。     

油水分层流条件下腐蚀动力学特性模拟

当石油输送管道内处于油水分层流条件时,管道底部与酸性水层接触极易造成内腐蚀,严重威胁管道安全,传统的静止和单相流条件的腐蚀预测方法已不能指导管道的安全运行,而多相流动、离子传质、化学反应及电极动力学等多种不同尺度的物理化学过程对多相流腐蚀预测提出了挑战。本文基于多相流动特性及电化学腐蚀特性的耦合机理提出了分层流条件下腐蚀动力学模型,首先建立油水三层流传质计算模型,进而基于溶液区域和产物膜内部的传质计算,依据阴阳极电化学反应电流密度与传质通量之间的平衡关系,形成多相流条件下腐蚀预测方法。探究了离子传质、电极反应以及产物膜动态生长的耦合过程对腐蚀行为的作用机理,揭示了CO₂分压、温度对腐蚀发展规律的影响机制。研究发现温度、CO₂分压的改变会导致平衡反应方向的移动,从而改变离子浓度;离子的扩散系数是决定传质系数变化的内在原因;腐蚀速率的变化规律由产物膜生长和电极反应两种因素共同决定：腐蚀产物膜的生长会阻碍反应离子的传质效应,从而抑制腐蚀;而离子浓度的升高或传质增强会加快电极反应,促进腐蚀。     

天然气管线二氧化碳腐蚀速率预测模型研究

为提高天然气管道运行安全性,建立了天然气管线二氧化碳腐蚀速率预测模型,分别确定了影响二氧化碳腐蚀速率的环境参数,其中包括温度、二氧化碳逸度、腐蚀产物膜、p H系数和壁面剪切力;以国内某天然气输气管道为例,应用该预测模型对管道二氧化碳腐蚀速率进行预测分析,并与实际工况进行对比及误差分析。研究结果表明,二氧化碳腐蚀速率预测模型预测结果与实际工况腐蚀速率相近,最大相对误差不超过8%。     

高剪切力流场下X80管线钢局部腐蚀深坑诱导局部湍流交互机理研究

天然气管道内表面局部腐蚀缺陷会诱发局部流场突变影响局部腐蚀进程,利用高剪切力的冲刷腐蚀实验装置进行流动状态下的电化学腐蚀在线测试,研究了局部腐蚀深坑对局部腐蚀进程的影响。试样在冲刷腐蚀过程中的界面腐蚀电化学信号通过电化学阻抗谱进行分析,腐蚀产物膜的成分及特征通过扫描电子显微镜（SEM）、能量衍射谱图（EDS）以及X射线衍射（XRD）表征,并结合计算流体力学（CFD）分析了流场参数对腐蚀传质过程的影响。结果表明,表面缺陷会诱导局部位置流场发生变化,增强局部位置的传质作用,缺陷表面腐蚀产物也因此随着流速的变化而呈现不同的微观形态。在较高强度流场下,局部增强的壁面剪切力会剥离部分致密腐蚀产物膜,导致测试表面形成大阴极小阳极的电化学分布,促进局部位置的腐蚀进程,从而加速局部腐蚀发生。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

流体动力学过程在流动腐蚀行为中的作用机制

在流动体系中,流场作用对腐蚀行为中的力学、离子传质以及界面反应等过程有着复杂的耦合影响,不同金属材料、不同溶液环境下流体流动发挥的作用也复杂多变,这些因素加剧了流动环境下的腐蚀机理研究的困难性。本文综述了流动腐蚀的研究现状,包括流动对腐蚀过程的影响机制、流动腐蚀研究的实验装置以及流动腐蚀中的关键影响因素,着重分析了流动通过改变腐蚀反应物/产物的质量传输速率对腐蚀反应动力学的影响机制,以及流动的剪切力作用对壁面产物膜的形成/破坏动力学过程的影响。提出了流动腐蚀在腐蚀界面演化与流场的交互作用、时空尺度跨度、流场-离子传质-界面反应的多场耦合联系以及不同流体力学参数匹配性等方面有待解决的问题,展望了流动腐蚀的发展方向。     

潜热型功能热流体在微小管道内的换热特性

针对现代电子器件的散热需求,采用潜热型功能热流体为工作介质进行实验,并搭建流动换热实验台,研究5%、10%和15%质量分数下潜热型功能热流体与去离子水在微小圆形管道内的换热特性,结果表明,在雷诺数Re为300~1000范围内,潜热型功能热流体均表现出比水更好的冷却性能及更低的壁面温度,在实验测试范围内,相变引起的壁面温度降低率最大可达26.8%;潜热型功能热流体平均Nu随着流动Re数的增加而增加,并通过对实验数据分析,拟合了平均Nu数与流动Re数、质量浓度和流体Pr数的经验公式,最大偏差不超过7.5%,可以较好反应潜热型功能热流体的换热特性;潜热型功能热流体沿着管道长度方向的强化换热比与潜热型功能热流体浓度及流动Re数有关,存在强化换热的最佳长度。     

2种圆形微孔板内部流场的CFD数值模拟

为改善96孔板传质率和剪切力低的情况，提出一种带挡板的96孔板模型。基于VOF模型和RNG k-ε模型结合建立了孔板内部的流体动力学模型，利用仿真软件FLUENT对其数值进行模拟。在不同转速下，对其气液交界面面积、气液比表面积、平均液膜传质系数和体积平均气液传质系数等传质相关系数和平均剪切应变率进行对比。模拟结果表明：在不同转速下，带挡板96孔板的体积平均传质系数和剪切应变率都要高于普通96孔板；并且考察了带挡板96孔板在特定转速下不同装液量对其传质性能的影响。模拟结果表明：随着装液量的增加带挡板96孔板的气液传质系数逐渐降低，得出66.56μL为最佳装液量。综上所述，带挡板96孔板有效提高了普通96孔板的传质性能，并为其提供了更好的剪切环境，为孔板的设计和优化提供了参考。     

三维菱形结构微通道内气液传质与强化

研究了具有三维交错菱形结构的微通道对离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF₄])水溶液吸收CO₂过程的传质增强作用。实验主要聚焦于弹状流和破碎弹状流。考察了弹状流型下气液流量、离子液体浓度对体积传质系数k_La、增强因子E、CO₂吸收率X及压力降ΔP的影响。结果表明,较之于直通道,三维菱形通道可以显著提高体积传质系数和CO₂吸收率,其增强因子可达2.1,压力降仅增加 0.9 kPa。提出了一个新的体积传质系数k_La预测式,预测效果良好。采用VOF法模拟了微通道内气液两相流动过程,获得了连续相的速度矢量场。三维菱形通道能诱导涡流,强化传质过程。     

高含硫气田集输净化管道缓蚀剂预膜稳定性

针对高含硫气田集输净化系统两相湍流流动条件下缓蚀剂预膜稳定性问题,利用高温高压动态循环腐蚀反应釜实验系统,开展高含硫气田典型管流流动条件下缓蚀剂膜稳定性评价研究:当流速在6 m·s^-1以下时,缓蚀剂预膜稳定性较好;当流速超过7.5 m·s^-1后,缓蚀剂预膜开始出现局部破坏;当流速达9 m·s^-1时,缓蚀剂膜在较高的流动剪切应力作用下已完全失效。流体动力学研究表明剪切应力为6.5 N·m^-2时为缓蚀剂膜发生整体破坏的临界点。     

Numerical analysis of heat transfer mechanisms to pneumatically conveyed dense phase flow

Mass and energy balances are required in power generation, chemical, pharmaceutical, food and commodity transfer processes in order to achieve efficient utilization of energy and raw materials. There is a need for accurate, reliable, on-line, continuous and non-invasive measurement of solids' mass flow rate in many industrial processes mentioned above. Thermal flowmeters, in theory, provide a true indication of the mass flow of solids in pneumatic conveying pipelines.A complicated heat transfer between a pipe wall and a gas-solid flow in a conveying pipeline inevitably takes place in a thermal solids' mass flow measurement process. A study of heat transfer mechanisms to pneumatically conveyed gas-solid dense phase flow as a means to mass flow rate measurement has been conducted experimentally and numerically to evaluate the heat transfer coefficient between the hot wall and the gas-solid dense phase flow. The prediction of the heat transfer coefficient is compared with the experimental findings. It was found that the heat transfer coefficient between the pipe wall and the gas-solid dense flow is a function of solids loading ratio. Increasing the gas stream velocity significantly augments the heat transfer between the hot wall and the gas-solid dense phase flow.     

颗粒振动影响动量传递过程的格子Boltzmann方法模拟

流化床内部颗粒振动对传递过程有着重要影响。格子Boltzmann方法耦合改进的浸入运动边界法模拟了不同振幅比A/D和频率比k=f_e/f₀下的单颗粒振动情况，并研究了不同排布和间距的双颗粒振动对传递过程中升阻力系数以及涡脱落频率的影响。结果表明，颗粒Reynolds数Re=100，单颗粒横向振动时，振幅增大导致锁定区间变大，颗粒锁定区间内的曳力系数大于锁定区间外，有利于传递。单颗粒流向振动，A/D=1.50时，随振动频率增大，流体流动模式为：2S模式→2P模式→2P+2S模式→混沌。相同振幅下k <1.25时，颗粒横向振动的曳力系数大于流向振动的曳力系数；k>1.25时则与之相反。因此，当k <1.25时，横向振动更有利于传递；k>1.25时，流向振动更有利于传递。串联双颗粒相互抑制涡的形成使曳力系数减小，不利于传递；相反，并联双颗粒促进传递作用，且在间距H=3D时效果最佳。以上数值结果为强化传递过程提供了一种思路。     

孔数与孔厚对多孔板压损系数的影响机理

多孔板作为管道内节流降压或流量测量元件，在减小管道振动、流动噪声及流动压损等方面较之传统的单孔板具有明显优势。影响多孔板压损系数的结构因素主要有开孔等效直径比、孔数及孔板厚度，其中等效直径比的影响规律已为人熟知，而孔数与孔板厚度的影响机理仍不清晰。本文以均匀布孔的多孔板为研究对象，通过数值模拟方法研究了孔数与孔板厚度对多孔板稳定区压损系数的影响机理。结果表明：在相同的孔板厚度下，压损系数随孔数增多而先快速减小后趋于不变，使压损系数达到稳定的临界孔数随管径减小而减少，但临界孔数对应的孔板相对厚度均接近0.5；在相同的孔数下，随孔板相对厚度增大压损系数先快速降低后趋于不变，使压损系数达到稳定的临界相对厚度为0.5~1.0，临界相对厚度随孔数增多而减小；在相同的相对厚度下，压损系数在薄孔板中随孔数增多先减小后增大，而在厚孔板中随孔数增多而单调增大。这说明除等效直径比外，孔数与孔厚均对多孔板压损系数有影响，应在压损系数关联式模型中予以考虑。     

不同位置射流强化螺旋通道传热性能分析

为了进一步提高并更合理评价射流强化螺旋通道内流体换热的综合性能,改进了射流管的安装位置并提出新的强化传热评价指标。采用实验和数值模拟对比研究了在圆形截面螺旋通道的内侧壁面和外侧壁面分别施加射流的强化传热效果。数值模拟结果与实验测量结果吻合较好。基于相同质量流量,探究了射流入射角度α以及射流与主流质量流量比ε_jm对强化传热特性的影响。考虑射流带来的附加功耗增加,提出以热功系数比(hpc)为评价指标对比分析了综合强化传热效果。结果表明,在α=30°～80°、ε_jm=0.1～1.5的研究范围内,与外侧壁面施加的射流相比,内侧壁面施加的射流对流体扰动更强,传热增强效果更好,同时消耗总功耗更小。当ε_jm=0.5、α=60°时,射流对螺旋通道的综合强化传热效果最佳,内侧、外侧壁面射流下的hpc最高值分别为1.39和1.32。     

平行流热管管内两相流动可视化实验研究

平行流热管换热器综合热管轴向高效换热和平行流换热器管外高效换热的优点,是一种新型的热管换热器。为了研究平行流热管工作机理及管内流动过程,搭建了平行流热管可视化实验台并对不同结构参数、不同加热功率和不同充注工质下的启动特性和传热传质规律进行了实验研究。实验结果表明：平行流热管工作机理复杂,并联管路内气柱和液柱在重力和不平衡压力的共同作用下进行互激振荡流动,并且管内出现泡状流、弹状流、环状流等多种流型,同时较高的加热功率和较大的管径会加剧工质在并联各管路之间的往复振荡,增加工质在蒸发段和冷凝段的扰动,提高热管的换热性能。     

OXYGEN TRANSFER IN HORIZONTAL PIPELINE AERATORS WITH NOZZLES

Horizontal pipeline and tubular loop aerators are of interest for fermentation and waste water treatment and are ideally suited for continuous processing. A major drawback is that these pipeline contactors invariably operate in the “elongated bubble and plug” regime in which the mass transfer rate is low. This article evaluates the performance of a horizontal pipeline aerator fitted with nozzles equispaced along its length to enhance mass transfer rates by promoting turbulence and augmenting effective interfacial area. Such devices can also be advantageously used in long pipe lines as in the case of treating waste while it is being transported. Pressure drop and overall liquid-side mass transfer coefficient data are reported as functions of liquid (water) and gas flow rates and nozzle size and spacing. It is shown that for all the conditions studied, k_La = 0.026(ΔP/L)^1.036 and that the pressure gradient is given by a simple correlation, provided an empirical parameter which characterises a nozzle is known. Preliminary investigations on the effect of surfactant ad the presence of suspended solids (size 75 μm) on mass transfer coefficient are also reported. Very high values of power dissipation can be achieved in such aerators without mechanically moving parts and high values of mass transfer coefficient can be realized.