循环喷雾闪蒸中液滴闪蒸的机理与实验研究

发布时间：2017-08-24 22:00

  本文关键词：循环喷雾闪蒸中液滴闪蒸的机理与实验研究

  更多相关文章： 液滴闪蒸 雾化 数值模拟 两相流 实验研究

【摘要】：闪蒸是液相迅速置于低于其饱和蒸汽压的环境中时,由于过热而快速蒸发的现象。该过程发生速率快、温降明显、能够快速得到大量蒸汽,因此在海水淡化、制冷、医疗、内燃机领域都有应用。鉴于闪蒸作为一种新技术在工业领域中有越来越重要的作用,研究其机理以及推广闪蒸技术的应用有重要意义。本文采用仿真计算、数值模拟与实验研究结合的方式研究了闪蒸机理以及循环喷雾闪蒸的气化能力。主要研究工作包括：建立了描述液滴闪蒸的扩散控制蒸发模型,得到了传热传质过程的数学描述方程,利用MATLAB对该动态过程进行建模求解,得到了液滴直径和液滴温度随时间变化的关系,发现影响闪蒸率的因素有液滴初始温度、闪蒸压力和液滴粒径等,并得到各影响因素变化时闪蒸气化率的变化规律。为分析液滴内部热阻对该过程的影响是否可以忽略,通过ATLAB编程求解偏微分方程,发现其内部热阻不宜忽略。利用Auto CAD软件对液滴闪蒸建立了几何模型,使用ICEM CFD对其进行了网格划分。应用FLUENT软件,选用大涡模拟模型对液滴闪蒸两相流过程进行模拟,利用多相流VOF方法捕捉气液相交界面,通过UDF编程嵌入所建立的模型中实现相变的过程,最终得到了可行的数值模拟方法。通过对液滴闪蒸过程进行的数值模拟研究,得到了液滴闪蒸过程的温度变化云图和液相变化云图,并将数值模拟得到的闪蒸气化率随时间的变化规律与第二章仿真计算结果对比,验证数值模拟的可靠性；改变液滴初始温度,发现初始温度越高,液滴气化率越大,闪蒸完成的时间越短；通过对动态液滴闪蒸进行模拟,发现迎风面闪蒸速率增快而背风面闪蒸速率减慢,同时发现由于表面张力液滴内部出现了Marangoni效应；对静态液滴闪蒸和动态液滴闪蒸过程的数值模拟结果进行了对比分析,得到了两种情况下气化率随时间变化的曲线,发现速度能增强对流,但对气化率的影响整体不明显。搭建实验平台对循环喷雾闪蒸进行实验研究,并从雾化后得到的液滴的角度对闪蒸进行分析。实验平台是在余热锅炉基础上添加闪蒸设备,达到了增加产气量,降低排放烟气温度的效果。最终得到的气化率变化规律与仿真模拟和数值模拟结果一致,闪蒸气化率与初始温度正相关,与闪蒸压力负相关；而液滴粒径将影响闪蒸过程的持续时间,液滴粒径越小闪蒸时间越短。通过对实验结果和最大理论值的对比,得到了本实验平台的运行最优参数。
【关键词】：液滴闪蒸 雾化 数值模拟 两相流 实验研究
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK115
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 符号表14-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 课题的背景及意义15
• 1.2 闪蒸技术研究概况15-16
• 1.3 国内外研究现状16-20
• 1.4 本文的研究目的及研究内容20-23
• 第二章 液滴闪蒸机理分析23-41
• 2.1 引言23
• 2.2 液滴闪蒸数学分析23-25
• 2.2.1 液滴质量减小率24
• 2.2.2 液滴体积减小率24
• 2.2.3 液滴热平衡24-25
• 2.3 零维问题求解25-35
• 2.3.1 求解方法简介25-26
• 2.3.2 求解过程26-27
• 2.3.3 求解结果27-29
• 2.3.4 不同液滴直径闪蒸的对比29-31
• 2.3.5 不同环境压力下液滴闪蒸的对比31-33
• 2.3.6 不同初始温度下液滴闪蒸的对比33-35
• 2.3.7 零维求解的局限35
• 2.4 一维问题求解35-38
• 2.4.1 理论气化率35-36
• 2.4.2 一维液滴闪蒸问题简介36
• 2.4.3 运用MATLAB求解一维液滴闪蒸问题36-37
• 2.4.4 求解结果37-38
• 2.5 本章小结38-41
• 第三章 液滴闪蒸数值模拟方法和模型建立41-51
• 3.1 引言41-42
• 3.2 数值方法的选取42-43
• 3.3 大涡模拟湍流模型43-44
• 3.3.1 滤波函数43-44
• 3.3.2 亚格子尺度模型44
• 3.4 VOF方法44-45
• 3.5 UDF方法和液滴蒸发源项45-46
• 3.5.1 UDF方法45-46
• 3.5.2 液滴蒸发源项46
• 3.6 模型的建立46-49
• 3.6.1 计算区域46-47
• 3.6.2 边界条件设置47
• 3.6.3 网格独立性验证47-49
• 3.7 本章小结49-51
• 第四章 液滴闪蒸的数值模拟研究51-61
• 4.1 引言51
• 4.2 边界条件与初始条件51
• 4.3 计算结果与分析51-54
• 4.3.1 温度云图变化51-52
• 4.3.2 液相体积分数云图变化52-53
• 4.3.3 液滴气化率变化曲线53-54
• 4.4 不同条件对液滴闪蒸的影响54-59
• 4.4.1 初始温度对液滴闪蒸的影响54-55
• 4.4.2 速度对液滴闪蒸的影响55-58
• 4.4.3 液滴数量对闪蒸的影响58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 液滴闪蒸实验研究61-75
• 5.1 实验目的61
• 5.2 实验系统61-65
• 5.3 实验数据处理65-66
• 5.4 误差分析66-67
• 5.5 实验结果67-73
• 5.5.1 闪蒸压力的影响67-68
• 5.5.2 液相初始温度的影响68-69
• 5.5.3 不同粒径液滴闪蒸特性69-70
• 5.5.4 实验结果与理论值对比70-73
• 5.6 本章小结73-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 主要研究成果75-76
• 6.2 不足与展望76-77
• 参考文献77-83
• 致谢83-84
• 学位论文评阅及答辩情况表84

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本文编号：733370