【摘要】：超音速脫水分離技術在天然氣預處理中有著廣闊的應用前景,在國際上已經初步實現(xiàn)了工程應用。但在國內的工程應用還很少,主要原因是超音速分離管的脫水分離效率遠未達到理想值。制約超音速分離管應用的主要原因是在理論上對管內兩相凝結機理描述不清晰,還不能給出針對實際應用結構的通用設計標準。因此,要對超音速分離管內部存在的可壓縮凝結性超音速流動進行系統(tǒng)的研究,揭示其內在機理,建立合理可靠的可壓縮凝結性超音速流動理論模型,發(fā)展相應完善并經過實驗驗證的計算分析方法,探索有效改善工程設計的新方法無疑是非常重要的。本文在深入調研該技術研究現(xiàn)狀的基礎上所做的主要研究工作包括:依據超音速分離管的工作原理,分別采用理想氣體狀態(tài)方程和PR實際氣體狀態(tài)方程對低壓和高壓條件下超音速分離管的喉部尺寸進行了計算;采用數(shù)值模擬方法對不同型面的漸縮段與漸擴段組合的Laval噴管結構進行了分析對比,推薦維托辛斯基曲線為適合分離管的最佳漸縮段型面;采用可壓縮氣體的等截面摩擦流理論對超音速分離管直管段進行了分析研究,得出了設計工況下直管段的極限長度;研究了擴壓段擴張角對摩擦損失的影響規(guī)律。采用提出的設計原則設計加工了分離管試驗件,并搭建了室內實驗臺架,以濕空氣作為工作介質對其實際運行性能進行了實驗研究,分析了壓損比、相對濕度等參數(shù)對分離管露點降的影響規(guī)律,實驗結果表明,在給定入口溫度下,隨著壓損比的增大分離管的露點降也增大,當壓損比為72.6%時,可以獲得22℃的露點降;通過對分離管脫水量的計算分析表明,單純壓力降低也可以導致露點降低。因此,在衡量分離管性能時,應該考慮這部分因壓力降而不是水分脫除導致的露點降,脫水量能更準確地衡量分離管性能的好壞。以實驗數(shù)據為基礎對超音速分離管的絕熱膨脹過程進行熱力學分析表明,氣流在超音速分離管的流動過程中存在較大的可用能損失,并且隨著壓損比的增大可用能損失幾乎線性增大;以PR方程為基礎,建立了多組分天然氣高壓相平衡模型,以此模型可以預測超音速分離管達到相平衡時最大的理論分離量,也可以根據實測數(shù)據計算實際分離量。建立了超音速分離管內可壓縮、高速、旋轉氣體流動的三維數(shù)值模擬模型,對超音速分離管氣體流動過程進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬計算,得到了壓力、溫度、速度、馬赫數(shù)等參數(shù)的分布規(guī)律,系統(tǒng)研究了壓損比對分離管性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),對于給定的分離管,降低背壓只能有限度地改善分離管的分離性能。當壓損比較小時,降低背壓,增大壓損比確實可以使Laval噴管漸擴段的激波向出口移動,但是,當壓損比超過某一值后,再增大壓損比,降低背壓并不能使激波點移出Laval噴管。當背壓足夠小,決定激波位置的是Laval噴管下游的阻力特性。因此,減小Laval噴管下游部分的阻力是改善分離管性能的重要途徑。針對于激波無法消除的問題,設計加工了流量可調節(jié)型超音速分離管并進行了實驗研究,結果表明,這種結構可以改善超音速分離管的性能。建立氣動流場與兩相流離散顆粒模型(DPM)耦合的三維數(shù)值模型,采用粒子追蹤方法對超音速分管的分離效率做出預測,系統(tǒng)研究了超音速分離管結構、運行參數(shù)(入口溫度、壓力及顆粒濃度)對分離管分離效率的影響。針對超音速分離管氣液兩相凝結相變流動特點,考慮質量傳輸和能量消耗過程,建立高速可凝結組分氣動凝結流場的計算模型,以空氣、水蒸氣及液態(tài)水為組分對超音速分離管的流動凝結過程進行數(shù)值模擬,分析了超音速分離管流動過程中水蒸氣的凝結成核規(guī)律。
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【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE31

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本文編號：2294019