發(fā)布時(shí)間：2017-08-05 10:18

  本文關(guān)鍵詞：T型圓管內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

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【摘要】：當(dāng)蒸汽遇到過(guò)冷水時(shí)會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱之為蒸汽直接接觸凝結(jié)(Steam Direct Contact Condensation-SDCC)。蒸汽直接接觸凝結(jié)是一種較為強(qiáng)烈的熱質(zhì)傳遞過(guò)程,具有復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱與相變物理機(jī)制。蒸汽直接接觸凝結(jié)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在,過(guò)程中常伴隨溫度、壓力等波動(dòng)特征,這些波動(dòng)特征與相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行密切相關(guān)。因此,對(duì)蒸汽直接接觸凝結(jié)現(xiàn)象開展研究具有一定的科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。本文的研究對(duì)象為T型圓管內(nèi)飽和蒸汽與流動(dòng)過(guò)冷水的直接接觸凝結(jié)現(xiàn)象,主要工作內(nèi)容包括如下三部分,(1)可視化實(shí)驗(yàn)研究；(2)壓力和溫度波動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究；(3)CFD數(shù)值模擬研究。(1) SDCC可視化實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中采用高速攝影對(duì)汽液界面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行拍攝和分析,獲得了由汽液界面運(yùn)動(dòng)特性所表征的六種典型凝結(jié)流型：劇烈間歇凝結(jié)、輕微間歇凝結(jié)、射流、振蕩泡狀流、分層流和攪拌流。本文著重分析了射流凝結(jié)的汽羽特征和換熱特性,關(guān)聯(lián)了該流型的無(wú)量綱汽羽長(zhǎng)度、平均凝結(jié)換熱系數(shù)和相應(yīng)的努塞爾數(shù)。對(duì)影響汽液界面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過(guò)冷水溫度、過(guò)冷水體積流量、蒸汽質(zhì)量流量和主管尺寸等四個(gè)參量及其影響汽液間熱質(zhì)傳遞機(jī)理進(jìn)行了闡釋。并依據(jù)可視化實(shí)驗(yàn)的汽液界面照片,構(gòu)建了T型管內(nèi)的SDCC流型圖。(2) SDCC壓力和溫度波動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中采用壓力和溫度采集系統(tǒng)記錄同一工況實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力和溫度信號(hào)。根據(jù)壓力和溫度測(cè)量信號(hào),分析了與可視化實(shí)驗(yàn)工況相同的六種典型凝結(jié)流型的壓力和溫度時(shí)域曲線。結(jié)合可視化實(shí)驗(yàn)和壓力時(shí)域曲線,對(duì)蒸汽直接接觸凝結(jié)誘發(fā)壓力振蕩機(jī)理進(jìn)行了揭示,即當(dāng)蒸汽泡破裂后瞬間凝結(jié)時(shí),蒸汽泡區(qū)域附近的壓力急劇降低從而產(chǎn)生相對(duì)真空,繼而周圍的冷水迅速?zèng)_向汽泡原所占空間,從而產(chǎn)生水力沖擊。進(jìn)一步分析了壓力振蕩的主頻和幅值,闡述了壓力信號(hào)時(shí)頻特征與凝結(jié)流型之間的聯(lián)系。關(guān)于溫度波動(dòng),本文著重研究了劇烈間歇凝結(jié)時(shí)支管內(nèi)部的溫度波動(dòng)特征。與可視化實(shí)驗(yàn)類似,對(duì)影響壓力和溫度波動(dòng)的過(guò)冷水溫度、過(guò)冷水體積流量、蒸汽質(zhì)量流量和主管尺寸等四個(gè)參量及其作用機(jī)理進(jìn)行了分析。根據(jù)各工況下的壓力振蕩谷值和自定義的無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)Lu=Gwm·Tw,/Ge·Te,構(gòu)建了基于壓力信號(hào)的凝結(jié)流型圖。(3)CFD數(shù)值模擬研究。在FLUENT平臺(tái)上,基于雙阻力冷凝模型并編寫相應(yīng)的并行UDF程序,選用VOF兩相流模型和LES湍流模型對(duì)T型管內(nèi)SDCC進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為驗(yàn)證所選計(jì)算模型及所編寫的并行UDF程序的可靠性,基于以往文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)大池內(nèi)和T型管內(nèi)SDCC數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在模型和數(shù)值計(jì)算可靠性驗(yàn)證基礎(chǔ)之上,進(jìn)一步分析了T型管內(nèi)SDCC的壓力云圖、流線圖、溫度云圖和凝結(jié)速率云圖等界面特性。壓力云圖和流線圖分別闡釋了蒸汽直接接觸凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致汽液界面附近的壓力和流場(chǎng)突變,從而揭示了由蒸汽凝結(jié)誘發(fā)壓力振蕩和水力沖擊的機(jī)理。界面附近的溫度過(guò)渡區(qū)以及凝結(jié)速率僅體現(xiàn)在界面附近的現(xiàn)象,表明了蒸汽直接接觸過(guò)冷水的熱、質(zhì)傳遞過(guò)程主要發(fā)生在汽液界面附近。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,對(duì)T型管內(nèi)SDCC現(xiàn)象的流型、壓力和溫度波動(dòng)特征等進(jìn)行分析和表征,對(duì)蒸汽直接接觸凝結(jié)過(guò)程中的流動(dòng)、傳熱和相變機(jī)理進(jìn)行了有益探索。
【關(guān)鍵詞】：蒸汽 直接接觸凝結(jié) 實(shí)驗(yàn)研究 熱質(zhì)傳遞 機(jī)理分析 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-19
• 第一章 緒論19-36
• 1.1 研究背景與意義19-20
• 1.2 蒸汽直接接觸凝結(jié)研究進(jìn)展20-34
• 1.2.1 實(shí)驗(yàn)和理論研究21-31
• 1.2.2 數(shù)值計(jì)算研究31-34
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容34-36
• 第二章 蒸汽直接接觸凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)36-48
• 2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和主要設(shè)備36-42
• 2.2 測(cè)量方法42-43
• 2.2.1 圖像采集42
• 2.2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量42-43
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方案43-47
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)工況44-45
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)操作流程45-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第三章 汽液兩相界面運(yùn)動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析48-99
• 3.1 汽羽48-75
• 3.1.1 主管內(nèi)的汽羽48-67
• 3.1.2 支管內(nèi)的汽羽67-75
• 3.2 汽羽特征影響因素分析75-93
• 3.2.1 過(guò)冷水溫度75-80
• 3.2.2 過(guò)冷水體積流量80-86
• 3.2.3 蒸汽質(zhì)量流量86-90
• 3.2.4 主管尺寸90-93
• 3.3 可視化凝結(jié)流型圖93-97
• 3.3.1 凝結(jié)流型圖94-97
• 3.3.2 凝結(jié)流型轉(zhuǎn)換分析97
• 3.4 本章小結(jié)97-99
• 第四章 SDCC壓力及溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析99-131
• 4.1 壓力振蕩99-109
• 4.1.1 直接接觸凝結(jié)導(dǎo)致壓力振蕩的機(jī)制99
• 4.1.2 壓力振蕩特性99-109
• 4.2 溫度波動(dòng)109-113
• 4.2.1 支管中的溫度波動(dòng)109-112
• 4.2.2 主管中的溫度波動(dòng)112-113
• 4.3 影響因素分析113-129
• 4.3.1 過(guò)冷水溫度113-118
• 4.3.2 過(guò)冷水體積流量118-122
• 4.3.3 蒸汽質(zhì)量流量122-126
• 4.3.4 主管尺寸126-129
• 4.4 壓力信號(hào)凝結(jié)流型圖129-130
• 4.5 本章小結(jié)130-131
• 第五章 蒸汽直接接觸凝結(jié)CFD數(shù)值模擬方法131-139
• 5.1 物理模型和計(jì)算域網(wǎng)格131-133
• 5.2 控制方程133-136
• 5.3 邊界條件136
• 5.4 離散方法和計(jì)算控制136-137
• 5.5 本章小結(jié)137-139
• 第六章 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證與分析139-185
• 6.1 大池蒸汽直接接觸凝結(jié)數(shù)值模擬結(jié)果的定性驗(yàn)證139-143
• 6.1.1 物理模型和數(shù)值模擬方法139-140
• 6.1.2 結(jié)果分析140-143
• 6.2 基于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定性定量驗(yàn)證143-169
• 6.2.1 汽羽特征143-158
• 6.2.2 壓力振蕩158-165
• 6.2.3 溫度波動(dòng)165-169
• 6.3 直接接觸凝結(jié)的界面特性169-183
• 6.3.1 壓力云圖169-173
• 6.3.2 流線圖173-176
• 6.3.3 溫度云圖176-179
• 6.3.4 凝結(jié)速率179-183
• 6.4 本章小結(jié)183-185
• 第七章 全文總結(jié)與研究展望185-189
• 7.1 全文總結(jié)185-187
• 7.2 研究展望187-189
• 參考文獻(xiàn)189-198
• 致謝198-199
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文199-200
• 導(dǎo)師及作者簡(jiǎn)介200-201
• 北京化工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文答辯委員會(huì)決議書201-202

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本文編號(hào)：624367