含可凝结组分气体超音速流动、非平衡相变及其流动与传质特性研究

发布时间：2018-10-25 14:56

【摘要】：超音速脱水分离技术在天然气预处理中有着广阔的应用前景,在国际上已经初步实现了工程应用。但在国内的工程应用还很少,主要原因是超音速分离管的脱水分离效率远未达到理想值。制约超音速分离管应用的主要原因是在理论上对管内两相凝结机理描述不清晰,还不能给出针对实际应用结构的通用设计标准。因此,要对超音速分离管内部存在的可压缩凝结性超音速流动进行系统的研究,揭示其内在机理,建立合理可靠的可压缩凝结性超音速流动理论模型,发展相应完善并经过实验验证的计算分析方法,探索有效改善工程设计的新方法无疑是非常重要的。本文在深入调研该技术研究现状的基础上所做的主要研究工作包括:依据超音速分离管的工作原理,分别采用理想气体状态方程和PR实际气体状态方程对低压和高压条件下超音速分离管的喉部尺寸进行了计算;采用数值模拟方法对不同型面的渐缩段与渐扩段组合的Laval喷管结构进行了分析对比,推荐维托辛斯基曲线为适合分离管的最佳渐缩段型面;采用可压缩气体的等截面摩擦流理论对超音速分离管直管段进行了分析研究,得出了设计工况下直管段的极限长度;研究了扩压段扩张角对摩擦损失的影响规律。采用提出的设计原则设计加工了分离管试验件,并搭建了室内实验台架,以湿空气作为工作介质对其实际运行性能进行了实验研究,分析了压损比、相对湿度等参数对分离管露点降的影响规律,实验结果表明,在给定入口温度下,随着压损比的增大分离管的露点降也增大,当压损比为72.6%时,可以获得22℃的露点降;通过对分离管脱水量的计算分析表明,单纯压力降低也可以导致露点降低。因此,在衡量分离管性能时,应该考虑这部分因压力降而不是水分脱除导致的露点降,脱水量能更准确地衡量分离管性能的好坏。以实验数据为基础对超音速分离管的绝热膨胀过程进行热力学分析表明,气流在超音速分离管的流动过程中存在较大的可用能损失,并且随着压损比的增大可用能损失几乎线性增大;以PR方程为基础,建立了多组分天然气高压相平衡模型,以此模型可以预测超音速分离管达到相平衡时最大的理论分离量,也可以根据实测数据计算实际分离量。建立了超音速分离管内可压缩、高速、旋转气体流动的三维数值模拟模型,对超音速分离管气体流动过程进行了系统的数值模拟计算,得到了压力、温度、速度、马赫数等参数的分布规律,系统研究了压损比对分离管性能的影响。研究发现,对于给定的分离管,降低背压只能有限度地改善分离管的分离性能。当压损比较小时,降低背压,增大压损比确实可以使Laval喷管渐扩段的激波向出口移动,但是,当压损比超过某一值后,再增大压损比,降低背压并不能使激波点移出Laval喷管。当背压足够小,决定激波位置的是Laval喷管下游的阻力特性。因此,减小Laval喷管下游部分的阻力是改善分离管性能的重要途径。针对于激波无法消除的问题,设计加工了流量可调节型超音速分离管并进行了实验研究,结果表明,这种结构可以改善超音速分离管的性能。建立气动流场与两相流离散颗粒模型(DPM)耦合的三维数值模型,采用粒子追踪方法对超音速分管的分离效率做出预测,系统研究了超音速分离管结构、运行参数(入口温度、压力及颗粒浓度)对分离管分离效率的影响。针对超音速分离管气液两相凝结相变流动特点,考虑质量传输和能量消耗过程,建立高速可凝结组分气动凝结流场的计算模型,以空气、水蒸气及液态水为组分对超音速分离管的流动凝结过程进行数值模拟,分析了超音速分离管流动过程中水蒸气的凝结成核规律。
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【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE31

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