T型圆管内蒸汽直接接触凝结的实验研究与数值模拟

发布时间：2017-08-05 10:18

  本文关键词：T型圆管内蒸汽直接接触凝结的实验研究与数值模拟

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【摘要】：当蒸汽遇到过冷水时会发生凝结现象,这种现象称之为蒸汽直接接触凝结(Steam Direct Contact Condensation-SDCC)。蒸汽直接接触凝结是一种较为强烈的热质传递过程,具有复杂的流动、传热与相变物理机制。蒸汽直接接触凝结在工业领域广泛存在,过程中常伴随温度、压力等波动特征,这些波动特征与相关设备的安全运行密切相关。因此,对蒸汽直接接触凝结现象开展研究具有一定的科学意义和实际价值。本文的研究对象为T型圆管内饱和蒸汽与流动过冷水的直接接触凝结现象,主要工作内容包括如下三部分,(1)可视化实验研究；(2)压力和温度波动特性实验研究；(3)CFD数值模拟研究。(1) SDCC可视化实验研究。实验中采用高速摄影对汽液界面的运动状态进行拍摄和分析,获得了由汽液界面运动特性所表征的六种典型凝结流型：剧烈间歇凝结、轻微间歇凝结、射流、振荡泡状流、分层流和搅拌流。本文着重分析了射流凝结的汽羽特征和换热特性,关联了该流型的无量纲汽羽长度、平均凝结换热系数和相应的努塞尔数。对影响汽液界面运动状态的过冷水温度、过冷水体积流量、蒸汽质量流量和主管尺寸等四个参量及其影响汽液间热质传递机理进行了阐释。并依据可视化实验的汽液界面照片,构建了T型管内的SDCC流型图。(2) SDCC压力和温度波动特性实验研究。实验中采用压力和温度采集系统记录同一工况实验过程中不同监测点处的压力和温度信号。根据压力和温度测量信号,分析了与可视化实验工况相同的六种典型凝结流型的压力和温度时域曲线。结合可视化实验和压力时域曲线,对蒸汽直接接触凝结诱发压力振荡机理进行了揭示,即当蒸汽泡破裂后瞬间凝结时,蒸汽泡区域附近的压力急剧降低从而产生相对真空,继而周围的冷水迅速冲向汽泡原所占空间,从而产生水力冲击。进一步分析了压力振荡的主频和幅值,阐述了压力信号时频特征与凝结流型之间的联系。关于温度波动,本文着重研究了剧烈间歇凝结时支管内部的温度波动特征。与可视化实验类似,对影响压力和温度波动的过冷水温度、过冷水体积流量、蒸汽质量流量和主管尺寸等四个参量及其作用机理进行了分析。根据各工况下的压力振荡谷值和自定义的无量纲准数Lu=Gwm·Tw,/Ge·Te,构建了基于压力信号的凝结流型图。(3)CFD数值模拟研究。在FLUENT平台上,基于双阻力冷凝模型并编写相应的并行UDF程序,选用VOF两相流模型和LES湍流模型对T型管内SDCC进行数值计算。为验证所选计算模型及所编写的并行UDF程序的可靠性,基于以往文献的实验结果和本文的实验结果分别对大池内和T型管内SDCC数值模拟结果进行了验证。在模型和数值计算可靠性验证基础之上,进一步分析了T型管内SDCC的压力云图、流线图、温度云图和凝结速率云图等界面特性。压力云图和流线图分别阐释了蒸汽直接接触凝结会导致汽液界面附近的压力和流场突变,从而揭示了由蒸汽凝结诱发压力振荡和水力冲击的机理。界面附近的温度过渡区以及凝结速率仅体现在界面附近的现象,表明了蒸汽直接接触过冷水的热、质传递过程主要发生在汽液界面附近。通过上述实验和数值模拟研究,对T型管内SDCC现象的流型、压力和温度波动特征等进行分析和表征,对蒸汽直接接触凝结过程中的流动、传热和相变机理进行了有益探索。
【关键词】：蒸汽 直接接触凝结 实验研究 热质传递 机理分析 数值模拟
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-19
• 第一章 绪论19-36
• 1.1 研究背景与意义19-20
• 1.2 蒸汽直接接触凝结研究进展20-34
• 1.2.1 实验和理论研究21-31
• 1.2.2 数值计算研究31-34
• 1.3 主要研究内容34-36
• 第二章 蒸汽直接接触凝结实验系统设计36-48
• 2.1 实验系统和主要设备36-42
• 2.2 测量方法42-43
• 2.2.1 图像采集42
• 2.2.2 数据测量42-43
• 2.3 实验方案43-47
• 2.3.1 实验工况44-45
• 2.3.2 实验操作流程45-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 汽液两相界面运动可视化实验结果与分析48-99
• 3.1 汽羽48-75
• 3.1.1 主管内的汽羽48-67
• 3.1.2 支管内的汽羽67-75
• 3.2 汽羽特征影响因素分析75-93
• 3.2.1 过冷水温度75-80
• 3.2.2 过冷水体积流量80-86
• 3.2.3 蒸汽质量流量86-90
• 3.2.4 主管尺寸90-93
• 3.3 可视化凝结流型图93-97
• 3.3.1 凝结流型图94-97
• 3.3.2 凝结流型转换分析97
• 3.4 本章小结97-99
• 第四章 SDCC压力及温度测量实验结果与分析99-131
• 4.1 压力振荡99-109
• 4.1.1 直接接触凝结导致压力振荡的机制99
• 4.1.2 压力振荡特性99-109
• 4.2 温度波动109-113
• 4.2.1 支管中的温度波动109-112
• 4.2.2 主管中的温度波动112-113
• 4.3 影响因素分析113-129
• 4.3.1 过冷水温度113-118
• 4.3.2 过冷水体积流量118-122
• 4.3.3 蒸汽质量流量122-126
• 4.3.4 主管尺寸126-129
• 4.4 压力信号凝结流型图129-130
• 4.5 本章小结130-131
• 第五章 蒸汽直接接触凝结CFD数值模拟方法131-139
• 5.1 物理模型和计算域网格131-133
• 5.2 控制方程133-136
• 5.3 边界条件136
• 5.4 离散方法和计算控制136-137
• 5.5 本章小结137-139
• 第六章 数值模拟结果验证与分析139-185
• 6.1 大池蒸汽直接接触凝结数值模拟结果的定性验证139-143
• 6.1.1 物理模型和数值模拟方法139-140
• 6.1.2 结果分析140-143
• 6.2 基于本实验结果的定性定量验证143-169
• 6.2.1 汽羽特征143-158
• 6.2.2 压力振荡158-165
• 6.2.3 温度波动165-169
• 6.3 直接接触凝结的界面特性169-183
• 6.3.1 压力云图169-173
• 6.3.2 流线图173-176
• 6.3.3 温度云图176-179
• 6.3.4 凝结速率179-183
• 6.4 本章小结183-185
• 第七章 全文总结与研究展望185-189
• 7.1 全文总结185-187
• 7.2 研究展望187-189
• 参考文献189-198
• 致谢198-199
• 研究成果及发表的学术论文199-200
• 导师及作者简介200-201
• 北京化工大学博士研究生学位论文答辩委员会决议书201-202

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