双开口气波制冷机振荡管内流动机理实验研究

搭建了双开口制冷整机实验平台,采集不同转速下振荡管内动态压力,对气波制冷整机内部波系关系对制冷的影响进行机理研究。首先,应用基于CFD的数值计算方法对本实验进行模拟,验证了该计算方法具有较高精度;其次,根据不同转速下管内实测压力绘制波系关系图,得到在最大制冷温降时,反向压缩波最弱,波系匹配最为合理;最后,分析压缩波振荡现象的原因及影响,转速越接近最佳转速,压缩波携带能量越小,对低温气影响越少。     

高温口压力影响气波振荡管制冷性能机理分析

高温口压力是影响气波振荡管制冷性能的重要参数。搭建双开口气波振荡管实验平台,测量了气波振荡管制冷温降随高温口压力的变化,建立了气波振荡管整机分析模型。结果表明,整机温降随高温口压力升高先增加后减小,高温口压力存在最优值。高温口压力较低时,气波振荡管入射气体与管内原有气体的分界面将从振荡管高温口排出,从而使低温口中常温回流气增多,与管内膨胀后的低温入射气体掺混,降低振荡管制冷性能。高温出口压力为0.10和0.14 MPa时,高温口高压气占比分别为7.4%和4.9%,高压气占比随高温口压力提高而降低,有利于制冷性能提高。高温口压力升高促使反向压缩波强度提高,高温口压力为0.11和0.14 MPa时,反向压缩波后压力分别为0.107和0.135 MPa,不利于制冷。入射高压气体与高温侧气体的掺混程度及反向压缩波后的压力影响高温口压力最优值。     

偏角对气波制冷机制冷效率的影响及预测

气波制冷机的偏角是影响其制冷效率的重要参数.首先通过数值方法对最优偏角对应的振荡管开启状态进行定量分析;然后,将数值结果与理论计算和实验相结合,探讨气波制冷机最优偏角的预测方法,并对偏角影响气波机制冷效率的规律进行分析.对于一个确定工况,当激波运动到振荡管右端,振荡管与高温出口喷嘴呈半开半闭状态时,对应的偏角为气波制冷机的最优偏角.实验得到的最优偏角随转速的增加而增大,符合理论分析结果,但两者的结果相差较大.数值方法确定的最优偏角与实验吻合较好,误差在1%以内.当气波机转速小于最优偏角对应的转速时,制冷效率随转速降低线性减小;当转速大于最优偏角对应的转速时,制冷效率随转速降低线性增大;其中,随转速升高和降低,制冷效率的线性拟合曲线斜率的绝对值基本相等,在0.009～0.012之间.     

壁面脉动传热对气波制冷性能影响研究

振荡管内气体温度周期性变化,管束壁面会与管内气体进行同频脉动传热作用,对制冷产生一定影响。搭建振荡管静止式气波制冷实验平台,对壁面温度进行测量研究;同时建立非定常流动传热数值模型,对对流换热量进行研究。实验结果表明,管束壁面最终形成一定温度分布,减薄振荡管束外壁面厚度以改变轴向导热面积,会使稳定后的壁面温度分布更陡峭。数值计算表明,冷端壁面与冷气的对流换热会加热冷气,降低制冷深度。将管束壁厚从10 mm降低至5 mm,制冷性能实验结果表明最大制冷深度提升0.2 K（1.6膨胀比）、0.5 K（1.8膨胀比）与0.4 K（2.0膨胀比）,验证了脉动壁面传热对制冷性能的影响。     

气波管内波系影响因素的实验研究与数值模拟

建立了一套气波单管机实验装置,系统地研究了不同实验条件下接受管端部加入一种特制的蓄冷填料后入射气体与反射激波强度的变化,考察了削弱激波能量对制冷效率的影响程度。利用这种方法对现有气波制冷机进行改造比较简单,制冷效率提高幅度可达5%左右。建立了管内非定常流动与管壁传热数学模型,对接受管内激波的流动进行了数值模拟,计算结果与实验测量值趋势相同,可为气波制冷机的改造、设计及优化提供理论上的指导。     

振荡管内入射激波衰减及其对冷效应的影响

在膨胀比ε=2~6、振荡管长径比L/d=87~737、射流激励频率f=10~240 Hz范围内,探讨了振荡管内入射激波衰减规律及其对压力波制冷机内流动及性能的影响。结果表明:入射激波相对强度Δpx/Δp0随着管长相对位置x/L增大而不断减小,入射激波衰减与管内气体黏性力和摩擦力作用、激波对管内气体增压增温作用以及与反射激波发生透射和反射作用有关;振荡管越短,管内入射激波相对强度降低越少,封闭端所产生的反射激波也越强,制冷机的最大制冷效率ηmax会逐渐降低;增大管长会降低压力波制冷机的制冷效率波动幅度,有利于改善压力波制冷机变工况性能。基于量纲分析和实验数据得到了入射激波相对强度衰减公式,计算结果与实验数据吻合较好,最大误差为5.70%。     

振荡管内入射激波衰减及其对冷效应的影响

在膨胀比ε 2～6、振荡管长径比L/d 87～737、射流激励频率f 10～240 Hz范围内,探讨了振荡管内入射激波衰减规律及其对压力波制冷机内流动及性能的影响。结果表明：入射激波相对强度Δp_x/Δp₀随着管长相对位置x/L增大而不断减小,入射激波衰减与管内气体黏性力和摩擦力作用、激波对管内气体增压增温作用以及与反射激波发生透射和反射作用有关;振荡管越短,管内入射激波相对强度降低越少,封闭端所产生的反射激波也越强,制冷机的最大制冷效率η_max会逐渐降低;增大管长会降低压力波制冷机的制冷效率波动幅度,有利于改善压力波制冷机变工况性能。基于量纲分析和实验数据得到了入射激波相对强度衰减公式,计算结果与实验数据吻合较好,最大误差为5.70%。     

气波制冷机变工况出口参数的计算求解

利用BWRS状态方程对气波制冷机变工况时出口参数进行了计算求解。计算表明：气波机的进气组成中,轻组分越多,分配器出口的临界速度越大,流体的质量流量减少,摩尔流量增加;不同组分混合物在相同的进气条件下,制冷温降相差较大;进气压力增加,分配器的质量流量和摩尔流量均增加;同样的制冷效率下,进气中轻组分多时温降大,重组份多时温降小。计算结果对气波机设计、操作具有实际指导意义。     

端口夹角对气波引射器性能的影响和预测

端口夹角是影响气波引射器性能的重要结构参数。本文通过数值模拟和实验研究探讨了端口夹角对气波引射器性能的影响机理,并得出了装置最佳端口夹角的预测方法。气波引射器存在一个最佳的端口夹角ψopt：当端口夹角大于该值时,等熵效率明显下降;若端口夹角小于最佳值,中压压力小于极值中压压力时,等熵效率随夹角的减小稍有降低,中压压力大于极值中压压力时,等熵效率急剧下降。数值模型的计算结果与实验值相一致,本文所建数值模型可准确预测最佳端口夹角。入口气体状态恒定时,最佳端口夹角不随中压压力的变化而改变,随转速的增大而线性增大。上述结论对气波引射器的设计和性能优化具有指导意义。     

气波引射器压力端口设计及其对性能的影响

气波引射器是一种高效的压力能综合利用装备,在诸多工业过程中具有广阔的应用前景。压力端口作为气波引射器必备的核心部件,其开、闭位置的合理设计是保证设备高效运行的前提。本工作介绍了以波系理论为基础的压力端口设计方法,并通过数值模拟与实验相结合,获得了完整的端口位置对设备性能的影响机理及规律。研究结果表明,满足理想波系的压力端口位置可使设备性能在相同条件下达到最优;端口偏离设计位置则会引起中压产气返流、低压进气不充分等现象,从而造成性能下降。由于不同端口位置对性能的影响机理不同,各端口位置偏离所造成的性能下降幅度有所不同。本工作丰富了气波引射器的参数设计理论,对该设备的研究应用具有重要指导意义。     

气波引射器反馈结构的功能机理及性能实验

气波引射器是一种利用气体压力波实现能量交换过程的新型动态设备,因其具有效率较高、结构简单以及能耗低等优点,在诸多生产过程中具有广阔的应用前景。为提升气波引射器在中压背压较高工况下的应用性能,提出了一种简单易行的反馈结构,并对其功能机理与性能进行了模拟及实验研究。通过数值模拟考察了此结构通过预压缩作用来削弱反向压缩波不良影响的功能机理,得出此结构的适用条件以及应用效果判定条件。通过实验验证了数值模拟的正确性,并获得了反馈结构的实际应用效果。实验范围内,反馈结构获得的最大效率及引射率提升量分别可达6.93%和5.43%。     

Real Gas Corrections in Shock Tube Studies at High Pressures

Reaction kinetics studies at high pressure in shock tubes can be significantly affected by the influence of real gas effects on state variables. The effect on the temperature, pressure, and density can be calculated by solving the shock wave equations using real gas equations of state (EOS). We present a method to solve the shock wave equations in a straightforward way by taking advantage of the recently-developed real gas properties package by Schmitt et al. (U. of Iowa Rep. UIME PPB 93–006, 1994). The solutions of these equations for shock waves in pure argon are presented. We find that the reflected shock temperatures and densities can be significantly different from those predicted by using an ideal gas EOS. Using the Peng-Robinson EOS, for example, the calculated real gas reflected shock temperature is less than the ideal gas temperature by 83 K per 1000 atm. An illustrative example of the effect of real gas corrections on a rate coefficient determination is also presented.     

Ultrasonic method for measuring the gas holdup of gas-liquid bubbly flow in a small-diameter pipe

Based on ultrasonic sound pressure attenuation, the ultrasonic pulse transmission method is proposed for measuring gas holdup in gas-liquid two-phase bubbly flows. Two ultrasonic transducers are positioned on opposite sides of a vertical upward pipe with an inner diameter of 20 mm. To obtain the relationship between ultrasonic attenuation and gas holdup, the mean value of the first pulse sequence of ultrasonic signals is first extracted as the measured signal. We used the quick closing valve method to obtain the gas holdup as the set value. Second, the relationship between the gas holdup and measured ultrasonic signals was established. The experiment result shows that the ultrasonic attenuation rate is significantly different at low and high gas holdups, as indicated by the bubble size images with a high-speed camera. We also investigated the ultrasonic field distribution using numerical simulation. The bubble size has an important effect on the ultrasonic attenuation coefficient, which provides a further physical explanation and reference for the experimental phenomena.     

异常高压气井生产动态仿真研究及应用

异常高压气井生产动态仿真方法不仅改变了传统物理仿真成本高、过程复杂的缺点,而且具备了计算机仿真模拟的准确性。考虑异常高压气井流体高压、高温的特点,本文将异常高压气井生产压降分解为地层流动压降、井筒流动压降和嘴流流动压降三个过程,并建立了气井生产动态流动数学模型;本文利用计算机仿真技术模拟了异常高压气井地层流体流动过程、井筒流体流动过程和气嘴流体流动过程,并预测了气井生产动态流动参数,为下步异常高压气井动态配产提供了基础数据。通过实例分析,将计算机仿真预测出的异常高压气井流动参数代入优化配产模型计算出配产结果与实际配产结果十分接近,表明异常高压气井生产动态仿真对实际生产具有重要的指导意义。     

气辅成型过程中可压缩空气流动数值模拟

气辅成型技术能够有效地改善产品力学性能、提高产品的质量,因此在注射成型生产中应用广泛,与之相应的气辅成型CAE技术也得到了快速发展。当前的气辅成型CAE技术中假定空气为不可压缩流体,忽略了空气的可压缩性,因此研究气辅成型过程中可压缩空气的流动行为具有一定的实际意义。针对气辅成型过程中可压缩空气流动的复杂行为,基于假设将复杂的三维(3D)流动问题转化为二维(2D)。采用 CBS方法建立2D瞬态可压缩空气流动的有限元分析模型,求解算法采用预共轭梯度法,并用VC++完成了算法编制,实现了可压缩空气流动过程的数值模拟,其压力结果可作为充填流动分析的基础数据。     

不同工况下汽油蒸气爆炸着火延迟与机理分析

利用激波管,对常压下温度1200~1600 K、体积分数1.0%~2.4%范围内的92号汽油-空气混合气的着火延迟特性进行了实验研究,以探索低压初始环境中油气爆炸的着火延迟规律。分析了着火延迟时间随点火温度和油气浓度的变化规律;得到了不同浓度下汽油着火延迟时间的计算公式;根据实验结果对比分析了七种机理模型的优劣;结合机理中主要组分的产生、消耗速率变化,剖析了浓度影响着火延迟的原因。结果表明,汽油着火延迟时间与点火温度的倒数呈良好的指数关系;同一高温下,浓度越大,油气着火延迟时间越长,原因是高油气浓度下烃分子与H的反应更强,从而抑制H与O₂的反应;在验证的七种机理中,Abhijeet Raj机理在低压下对各油气浓度的着火延迟时间计算精度较高,适宜应用到油气爆炸模拟中。研究为汽油燃烧动力学机理的验证、优化与应用提供了较为准确的数据基础。     

蒸汽喷射器混合室两相流动的数值模拟

应用适用于跨声速流动的湿蒸汽两相流模型对蒸汽喷射器内流体的流动进行了数值模拟研究。重点研究了蒸汽喷射器混合室内流体的流动过程,并比较了采用湿蒸汽模型和理想气体模型计算结果差异。研究结果表明,湿蒸汽模型中,蒸汽喷射器引射系数略高于理想气体模型的,混合室内喷嘴出口和引射蒸汽入口附近激波产生的局部高压明显小于理想气体模型的,工作蒸汽速度、温度的降低也要比理想气体模型的小。