立式螺旋管内气液两相流摩擦阻力特性研究

论文摘要

螺旋管换热器以其良好的换热效果、结构紧凑等优点已较广泛地应用于炼油、化工、动力、医药等工程工业中。压力降是影响管换热器性能好坏的关键因素之一,但至今对螺旋管内气液两相流压力降的研究仍不充分。本文针对石化行业用某种螺旋管换热器内摩擦阻力压力降进行研究,为螺旋管换热器的开发提供理论依据。本文采用实验研究和数值模拟相结合的方法,研究分析了质量流量、干度、压力、热负荷等因素对立式螺旋管内的摩擦阻力特性的影响规律。得到主要研究结论如下:1.分析该类型螺旋管内气体单相摩擦阻力实验数据,经修正前人公式得到该类型螺旋管内单相流摩擦阻力的经验关联式,拟合公式与实验数据误差在3%之内。2.对该类型螺旋管内的气液两相流摩擦阻力进行实验研究,通过分析得到了压力降随干度和质量流量的增加而增加的规律。又分别使用了均相模型方法和分相模型方法对实验结果进行了分析,发现用均相模型方法对实验结果进行分析时误差很大,不适用于实际问题;通过L-M分相模型方法对实验数据进行分析,在L-M分相模型及Chisholm拟合式的基础上,对L-M分相模型方法进行了修正,得到一条螺旋管两相摩擦阻力系数的计算关联式,在质量流量较低时,本文关联式精度较L-M方法要高,关联式最大误差不超过20%。3.借助数值模拟方法对该螺旋管内的摩擦阻力压力降进行了研究。首先进行了在相同工况下实验研究结果与数值模拟结果之间的对比,结果表明用数值模拟方法对螺旋管内的摩擦阻力压力降进行研究是可行的。然后在此数值模型的基础之上,研究了干度、质量流量、压力、壁面热负荷等因素对螺旋管内摩擦阻力的影响。得出结论认为在壁面热负荷影响下,管内的压力降随干度、质量流量的变化规律与无热负荷的情况下基本一致;随着压力增高,管内摩擦阻力降低;在热负荷较高时,摩擦阻力较高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 气液两相流的定义及基本特征
• 1.1.2 螺旋管技术
• 1.2 螺旋管内气液两相流的研究现状及历程
• 1.2.1 气液两相流的研究历程
• 1.2.2 螺旋管内气液两相流动特性研究历程
• 1.2.3 螺旋管内气液两相流摩擦阻力特性研究现状
• 1.2.4 螺旋管内两相流研究趋势
• 1.3 气液两相流的研究和处理方法
• 1.3.1 研究方法
• 1.3.2 分析处理方法
• 1.3.3 气液两相流实验技术
• 1.3.4 数值模拟方法概述
• 1.4 研究目的
• 1.5 研究内容及思路
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究思路步骤
• 1.6 本文创新点
• 第2章 立式螺旋管气液两相流摩擦阻力压力降实验
• 2.1 实验系统及装置
• 2.1.1 实验管圈参数
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验介质物性及参数换算
• 2.2.1 介质物性
• 2.2.2 实验参数换算
• 2.3 实验范围
• 2.4 实验步骤
• 2.4.1 空气单相流测试
• 2.4.2 气水两相流测试
• 2.4.3 气水两相流分组
• 2.5 本章小结
• 第3章 实验结果分析
• 3.1 管内气液两相流的基本数理模型
• 3.1.1 均相流模型（Homogeneous Flow Model）
• 3.1.2 分相流模型（Separated Flow Model）
• 3.1.3 漂移模型（Drift-Flux Model）
• 3.1.4 两流体模型（Two Fluid Model）
• 3.2 气液两相流压力降计算方法
• 3.2.1 均相流模型方法
• 3.2.2 分相流模型方法
• 3.2.3 螺旋管内摩擦阻力压力降计算方法
• 3.3 空气单相流实验结果分析
• 3.4 空气-水两相流实验结果分析
• 3.4.1 影响摩擦阻力压力降的因素
• 3.4.2 两相摩擦阻力计算关联式
• 3.7 本章小结
• 第4章 摩擦阻力压力降数值计算方法及模型建立
• 4.1 数值模拟计算方法概述
• 4.1.1 螺旋管的两流体基本方程
• 4.1.2 两相流计算模型
• 4.1.3 常用湍流模型
• 4.2 Fluent 软件的概述
• 4.2.1 有限体积法
• 4.2.2 Fluent 软件的程序结构
• 4.3 螺旋管的建模及网格划分
• 4.3.1 螺旋管的建模
• 4.3.2 网格划分
• 4.4 Fluent 的计算模型及参数设置
• 4.4.1 多相流模型的选择
• 4.4.2 湍流模型的选择
• 4.4.3 材料物性的设置
• 4.4.4 边界条件设置
• 4.4.5 运算环境设置
• 4.4.6 求解器参数设置
• 4.4.7 计算收敛的判据
• 4.4.8 数值模拟的误差
• 4.5 本章小结
• 第5章 摩擦阻力压力降数值模拟结果及分析
• 5.1 数值模拟分组
• 5.2 螺旋管内的气液两相流流场分析
• 5.3 数值模拟模型的可靠性验证
• 5.4 不同质量流量对摩擦阻力的影响
• 5.4.1 不同压力对摩擦阻力的影响
• 5.5 不同热流密度对摩擦阻力的影响
• 5.5.1 热流密度的影响
• 5.5.2 压力及质量流量的影响
• 5.5.3 热流密度对传热系数的影响
• 5.5.4 热流密度影响的总体结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果