含空气的蒸汽射流直接接触冷凝特性研究

发布时间：2020-09-15 21:33

　　蒸汽射流直接接触冷凝具有高的传热和传质效率,在能源动力领域得到了广泛的应用,研究蒸汽射流直接接触冷凝现象对相关系统设计具有重要意义。本文利用CFD方法对空气浸没射流、纯蒸汽浸没射流和含空气的蒸汽浸没射流进行了模拟。在空气浸没射流研究方面,采用VOF多相流模型进行气液界面捕捉,模拟了不同浸没深度条件下空气浸没射流的发展过程。采用快速傅里叶变换(FFT)方法,对空气浸没射流过程中的压力和速度振荡进行了分析。利用量纲分析的方法对空气射流的穿透深度进行分析,建立了无量纲穿透深度的计算关联式,并利用模拟结果确定了关联式系数。在纯蒸汽浸没射流研究方面,采用Mixture多相流模型配合两热阻模型进行模拟,研究了喷嘴直径、水温、喷射方向和双喷嘴等因素对蒸汽射流冷凝的影响,并对蒸汽射流的气羽长度、气液界面平均换热系数和流场参数的分布进行了分析。研究结果表明,Mixture多相流模型配合两热阻模型可以较好的模拟蒸汽浸没射流冷凝现象;气羽核心区存在着压缩波和膨胀波;在气羽末端存在着压力峰值,并且随着喷嘴直径的增大,峰值有可能会大于喷嘴出口处的压力;随着水温和入口压力的升高,无量纲气羽长度逐渐增大。在研究含空气的蒸汽射流直接接触冷凝时,为了能够将空气的影响考虑在内,构造了新的冷凝模型。采用Mixture多相流模型和修正后的冷凝模型,模拟了不同入口压力的影响,并对流场内的各参数分布进行了分析。模拟结果表明,在蒸汽冷凝的气液界面处,存在着空气局部聚集的现象;整个射流区域可以分为蒸汽核心区和空气-水组成的湍流射流两相流动区;空气的存在会导致射流过程的扩散程度增强。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O358
【部分图文】：

流型图,蒸汽射流,流型图

（a）二维流型图[4]（b）三维流型图[5]图 1.1 蒸汽射流直接接触冷凝流型图1.2.1.2 气羽长度当蒸汽流量较高时，蒸汽浸没射流会在过冷水中形成气穴，该气穴被称作是气羽，如图 1.2 所示。气穴的长度被称作是气羽长度l ，研究气羽长度对研究蒸汽射流直接接触凝结过程有着重要作用。对于蒸汽射流直接接触冷凝现象，平均冷凝换热系数和换热面积是影响蒸汽射流直接接触冷凝传热过程的两个关键参数。结合流型图以及其气羽长度可以获得气液界面面积，利用质量和能量守恒关系即可得到界面平均换热系数。由此可知，准确获取气羽长度是准确进行后续分析的关键。在实验中研究气羽长度的主要方法分为两种，一种是通过对所拍摄的图像进行处理得到，另一种是通过轴向上的温度分布测量来判断气羽长度。采用前一种方法的较多，由于研究者们判断气羽长度的标准有所不同，且前一种处理方式受到拍摄角度、清晰度、光源等拍摄方式和后处理方式的影响，因此，研究者们得到的结果也有一定的差别。

流型图,羽形,工况,蒸汽射流

学位论文4（a）二维流型图[4]（b）三维流型图[5]图 1.1 蒸汽射流直接接触冷凝流型图1.2.1.2 气羽长度当蒸汽流量较高时，蒸汽浸没射流会在过冷水中形成气穴，该气穴被称作是气羽，如图 1.2 所示。气穴的长度被称作是气羽长度l ，研究气羽长度对研究蒸汽射流直接接触凝结过程有着重要作用。对于蒸汽射流直接接触冷凝现象，平均冷凝换热系数和换热面积是影响蒸汽射流直接接触冷凝传热过程的两个关键参数。结合流型图以及其气羽长度可以获得气液界面面积，利用质量和能量守恒关系即可得到界面平均换热系数。由此可知，准确获取气羽长度是准确进行后续分析的关键。在实验中研究气羽长度的主要方法分为两种，一种是通过对所拍摄的图像进行处理得到，另一种是通过轴向上的温度分布测量来判断气羽长度。采用前一种方法的较多，由于研究者们判断气羽长度的标准有所不同，且前一种处理方式受到拍摄角度、清晰度、光源等拍摄方式和后处理方式的影响，因此，研究者们得到的结果也有一定的差别。表 1.2 无量纲气羽长度的研究进展研究对象研究者主要结论无量纲汽羽长度 L（L 与入口质量流速 Gm，冷凝驱动势 B，以及其他一些参数之间的关系）Kerney 等[10]Chun 和 Kim 等[6]Kim 等[9]Wu 等[12]Weimer[2]0.1689 0.644600.3583 ( / )mlL B G Gd= =0

模拟结果,两相流动,流型

哈尔滨工程大学硕士学位论文考虑瑞丽泰勒不稳定性，两相流动现象受到初始化的影响很大。在初喷管中处于一定的高度时，才会发生扎嘎流型。在考虑瑞利-泰勒界两相流动受到初始状态的影响不再敏感，能够发生扎嘎流型。总的来不稳定性之后的模拟结果与实验结果更加吻合。

【参考文献】