伴有鹽析的兩相流動(dòng)現(xiàn)象普遍存在于相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)部門的鹽類溶液輸運(yùn)流程中,結(jié)鹽會(huì)造成能源與資源的極大浪費(fèi),這是學(xué)術(shù)界和工程界迫切需要解決的難題。目前對(duì)鹽析兩相流動(dòng)理論的研究仍處于探索之中,葉輪機(jī)械內(nèi)部鹽析流動(dòng)機(jī)理尚未被揭示。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.50476068)及江蘇省普通高校研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(No.CX07B_093z)的資助下,本文選擇適用于鹽類溶液輸運(yùn)的旋流式模型泵為研究對(duì)象,以具有典型鹽析特性的硫酸鈉過(guò)飽和溶液為輸送介質(zhì),圍繞鹽析兩相流動(dòng)理論、旋流泵內(nèi)鹽析兩相流動(dòng)機(jī)理等問(wèn)題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,主要工作及取得的創(chuàng)新性成果如下: 1、從分析鹽析過(guò)程基本理論入手,詳細(xì)闡述了晶體成核及生長(zhǎng)、晶體顆粒輸運(yùn)等過(guò)程及其與流動(dòng)的關(guān)系,研究認(rèn)為:鹽析進(jìn)程中,過(guò)冷度(過(guò)飽和度)是鹽析晶體晶核形成最直接的相變驅(qū)動(dòng)力,非均相成核與碰撞成核是泵內(nèi)鹽析晶體成核的主導(dǎo)機(jī)制,且成核速率、成核后的晶體顆粒粒徑與濃度分布受當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)條件的制約。 2、借鑒界面相理論的思想,首次提出并定義了鄰界區(qū)概念,用以描述鹽析層及其鄰近區(qū)域特征,并將其劃分為鹽析界面層、吸附層和過(guò)渡層三部分,每一部分的結(jié)構(gòu)與特性各不相同,在鹽析過(guò)程中所起的作用也有差異;同時(shí)也對(duì)鹽析層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行了分析,闡明了鹽析層增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)處理方法及實(shí)驗(yàn)研究方法,由此提出研究泵內(nèi)鹽析進(jìn)程時(shí)可建立“揚(yáng)程—鹽析時(shí)間”關(guān)系的設(shè)想。 3、在上述研究基礎(chǔ)上,采用雙流體模型構(gòu)建了比較符合實(shí)際的鹽析流動(dòng)物理模型,再利用流體力學(xué)方法建立了完整的鹽析兩相湍流流動(dòng)方程組,給出了質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換率及其它本構(gòu)關(guān)系式,并采用k-ε-k_p模型對(duì)方程組進(jìn)行封閉;在方程中計(jì)入因葉輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力和科氏力等慣性力的作用,建立了葉輪機(jī)械中的鹽析兩相流方程組。 4、提出引入粒數(shù)衡算模型(PBM)來(lái)描述泵內(nèi)因鹽析晶體顆粒間及顆粒與葉輪葉片或流道內(nèi)壁間碰撞而產(chǎn)生的聚并、破碎等微觀行為,并將其與宏觀屬性聯(lián)系起來(lái)。研究表明用PBM-CFD的耦合方法可提高雙流體模型的精度,對(duì)其應(yīng)用于鹽析流場(chǎng)計(jì)算的方法及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析,為鹽析兩相流動(dòng)研究提供了一種新方法。 5、基于Eulerian多相流模型和混合的RNG k-ε兩方程湍流模型,采用滑移網(wǎng)格技術(shù),對(duì)模型泵內(nèi)的鹽析兩相流場(chǎng)進(jìn)行了全流道、三維非定常計(jì)算,初步揭示了不同時(shí)刻、不同溫度條件下泵內(nèi)液相和鹽析晶體顆粒相的運(yùn)動(dòng)特性及顆粒的遷移規(guī)律;根據(jù)顆粒濃度分布特點(diǎn),推測(cè)泵內(nèi)的鹽析進(jìn)程為:鹽析層最初在壓水室內(nèi)壁及葉片工作面形成并不斷增厚,最終堵塞流道。此外對(duì)泵送清水和鹽溶液時(shí)的性能也進(jìn)行了預(yù)測(cè),并將結(jié)果與外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。 6、運(yùn)用PIV在徑向和軸向兩種測(cè)量模式下對(duì)泵內(nèi)不同外部條件下鹽析兩相流場(chǎng)進(jìn)行了準(zhǔn)三維測(cè)量,經(jīng)圖像后處理,獲得了鹽析晶體顆粒在葉輪內(nèi)、無(wú)葉腔中及軸面上的速度矢量分布,實(shí)現(xiàn)了顆粒流場(chǎng)的可視化,更為直觀地揭示了泵內(nèi)鹽析顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。計(jì)算得到的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律與PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,但在數(shù)值上與實(shí)驗(yàn)值存在一定差異。 7、摸索了一套PDPA應(yīng)用于葉輪機(jī)械內(nèi)部鹽析兩相流場(chǎng)測(cè)量的有效方法,并對(duì)模型泵內(nèi)鹽析兩相湍流流動(dòng)進(jìn)行了較細(xì)致和全面的測(cè)量,獲得了鹽析兩相在無(wú)葉腔與葉輪內(nèi)的湍流流動(dòng)特性、鹽析晶體顆粒粒徑分布及濃度分布規(guī)律,并通過(guò)改變運(yùn)行工況、輸送介質(zhì)溫度、濃度等這些影響泵內(nèi)鹽析流動(dòng)體系的主要參數(shù),發(fā)現(xiàn)并詳細(xì)分析了鹽析流動(dòng)隨外部條件改變后的演化規(guī)律,基本掌握了無(wú)葉腔及葉輪內(nèi)的鹽析流動(dòng)機(jī)理。 本文的研究成果、研究方法在一定程度上可以推廣應(yīng)用于其它類型葉輪機(jī)械內(nèi)的鹽析流動(dòng)的研究。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：TH311
【部分圖文】：

鹽析兩相流是工業(yè)中常見(jiàn)的現(xiàn)象，普遍存在于石油、化工、造紙等行業(yè)的鹽類溶液輸運(yùn)過(guò)程中。鹽析現(xiàn)象產(chǎn)生后，從溶液中析出的晶體顆粒在各種輸運(yùn)勢(shì)作用下發(fā)生沉降并粘結(jié)于輸送設(shè)備內(nèi)壁，形成鹽析層，又稱之為結(jié)鹽。圖1.1.1示出了在制漿造紙堿回收及鹽湖采輸鹵流程中鹽析現(xiàn)象發(fā)生后粘結(jié)于管道內(nèi)壁及輸送泵葉片上的鹽析層形貌。鹽析層一旦形成后會(huì)隨著流程運(yùn)行而不斷增厚，且難以清除，由此改變了流程的技術(shù)參數(shù)，最終將堵塞流道，必須進(jìn)行設(shè)備的清洗或更換，嚴(yán)重影響了流程的正常運(yùn)行，造成了能源與資源的極大浪費(fèi)。目前工業(yè)生產(chǎn)部門只能采取上述被動(dòng)的方法應(yīng)對(duì)由結(jié)鹽造成的后果，防結(jié)鹽技術(shù)、裝備的研發(fā)和應(yīng)用工作幾乎是空白，其原因就是長(zhǎng)期以來(lái)一直缺乏合適、可靠的理論指導(dǎo)，缺乏對(duì)鹽析流動(dòng)機(jī)理的研究。近年來(lái)，對(duì)鹽析兩相流動(dòng)的研究受到了國(guó)內(nèi)外科技工作者的重視，進(jìn)行了從

1、鄰界區(qū)結(jié)構(gòu)若假設(shè)從鹽析層表面開(kāi)始，鄰界區(qū)可分為三個(gè)部分:鹽析界面層、吸附層和過(guò)渡層(如圖2.3.1所示)。其中鹽析界面層位于鹽析層的表面，是鹽析層的一部分;吸附層位于鄰界區(qū)中間，其內(nèi)側(cè)與鹽析界面層接觸，外側(cè)與過(guò)渡層接觸;過(guò)渡層是鄰界區(qū)最外層，與主流區(qū)相鄰。鹽析層的增長(zhǎng)屬于一種外延生長(zhǎng)方式，是鹽析層向主流中不斷推移的過(guò)程，在這一過(guò)程中，鹽析層與主流的交界區(qū)域—鄰界區(qū)擔(dān)負(fù)著傳質(zhì)、傳熱、傳動(dòng)等至關(guān)重要的作用。每一層的特性及功能都有著顯著的差別，在鹽析過(guò)程中所起的作用也不盡相同，因此，下面對(duì)各部分作詳細(xì)描述�！鱭’△C刁下

鹽析層一旦形成會(huì)不斷增厚，形成的鹽析層本身也會(huì)隨輸運(yùn)時(shí)間發(fā)生結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化，晶體的老化過(guò)程隨之開(kāi)始。文獻(xiàn)【32]給出了CaSO;鹽析層粘結(jié)于過(guò)流通道內(nèi)壁上的形態(tài)，如圖2.3.2所示。從圖中可以看出，鹽析層并非各向同性，按照層與層之間的鹽析晶體密度差異，可將鹽析層大致分為四個(gè)層次。沿過(guò)流通道內(nèi)壁面向主流方向，鹽析層密度隨厚度的變化規(guī)律如圖2.3.3所示1331。從第四層(Layer4)至第一層(uyerl)，鹽析層密度逐漸減小;相對(duì)于一、四層，第二、三層(uyerZ，3)的密度曲線斜率明顯較大，說(shuō)明在鹽析層中部區(qū)域的鹽析物質(zhì)特性變化迅速
【引證文獻(xiàn)】

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1 汪亞運(yùn);離心泵內(nèi)鹽析液固兩相流動(dòng)的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];江蘇大學(xué);2016年

2 魏英華;MBR處理高鹽榨菜廢水膜污染特性與處理效能研究[D];重慶大學(xué);2013年

3 吳承福;離心泵葉輪內(nèi)鹽析晶體顆粒運(yùn)動(dòng)及粒徑分布特性的研究[D];江蘇大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2892552