靶式撞击流喷水室对空气热湿处理和喷嘴流场模拟研究

论文摘要

喷水室是空气与水直接接触式空气热湿处理设备。喷水室中将不同温度的水喷成雾滴与空气直接接触,可实现多种空气热、湿处理过程,同时对空气还具有一定的净化能力。喷水室系统的关键设备——喷嘴,其作用是使喷出的水雾化,增加水与空气的接触面积。决定其性能的主要技术指标为不同孔径、不同喷水压力下的喷水量和雾化效果。靶式撞击流喷嘴以其流道光滑,赃物不易积聚,喷嘴雾化面积大、维护管理方便等优点已得到了实际应用。论文针对靶式撞击流喷嘴在喷水室的热湿交换过程,深入探讨撞击流喷嘴的雾化机理和建立相关模型,综合运用数学分析方法、实验测试、MATLAB数据回归软件和FLUENT模拟软件,研究靶式撞击流喷水室的热质交换机理,并给出相关的数学模型解,系统完整地总结靶式喷嘴的各种性能参数和效率公式或曲线,采用数值模拟方法研究喷嘴内外部流场的分布,旨在使这种喷嘴能够在实际工程中得到广泛应用。为此,论文的主要研究内容如下:(1)研究了靶式撞击流喷嘴对空气的热湿处理机理论文在阐述喷水室热质交换基础理论的基础上,分析了撞击流技术和撞击流喷嘴的雾化机理,探讨了撞击流喷嘴与其它喷嘴的联系与区别,给出了喷水室热工性能的全热交换效率和通用热交换效率的理论及经验公式,为后续的试验分析和数据回归研究奠定了理论基础。(2)构建了喷水室热质交换及撞击流喷水室模型解运用喷水室热质交换基本方程模型,采用泛函分析的方法,获得了喷水室各断面空气与水状态的精确解并给出误差估计;对基本方程模型采用线性微分方程求解方法获得4组解析解;对基本方程模型在附加了假设条件的基础上,获得了撞击流喷水室出口参数和效率公式,并通过算例验证了模型在理论上的正确性和合理性。(3)主要针对靶式撞击流喷嘴在喷水室中不同工况下的喷水量、热湿交换效率及其影响因素进行了研究。首先阐述了喷水室实验台的改造概况、实验测试步骤和数据整理,列出了靶式喷嘴在不同压力下喷水量,采用MATLAB软件对喷水量做多元回归;其次,采用正交实验设计对影响效率的四个因素三个水平进行了实验,得出了最佳组合方案,采用方差分析法和F检验,找出了显著性因素;再次,用实验数据详细研究了靶式喷嘴喷水室中各个因素对热湿交换效率的影响;最后构建了通用热交换效率的多元回归方程,用MATLAB软件画出了效率的三维立体图形。(4)针对靶式撞击流喷嘴内外流场的分布规律进行模拟研究首先阐述了FLUENT软件,在构建了靶式喷嘴的几何模型,生成网格,确定了喷嘴进出口边界条件,采用SIMPLE算法,在判定了解的收敛性后,给出了靶式喷嘴模拟图形,并对模拟结果进行了研究。本课题不仅有理论探讨意义,而且有重要的实际应用价值和推广应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的选题背景及研究意义
• 1.1.1 课题的选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 喷嘴雾化效果和性能参数研究
• 1.2.2 空气与水直接接触的热质交换原理研究
• 1.2.3 喷水室的热湿交换效率研究
• 1.2.4 喷嘴模拟的研究
• 1.3 课题研究内容和创新点
• 1.3.1 课题研究内容
• 1.3.2 创新点
• 1.4 课题研究方法
• 1.5 本章小结
• 2 靶式撞击流喷嘴对空气的热湿处理机理
• 2.1 喷水室空气与水的热湿交换及撞击流机理
• 2.1.1 喷水室内空气与水的热湿交换原理
• 2.1.2 空气与水直接接触时各种过程与特点
• 2.1.3 喷水室中应用撞击流技术原理
• 2.2 喷水室结构及其热工性能
• 2.2.1 喷水室的分类
• 2.2.2 喷水室的结构
• 2.2.3 喷水室的热工性能
• 2.3 喷水室的各种喷嘴简介
• 2.4 撞击流喷嘴在喷水室的应用特点
• 2.5 本章小结
• 3 喷水室热湿交换及撞击流喷水室模型
• 3.1 喷水室热、质交换基本方程式
• 3.2 喷水室热质交换方程泛函分析精确解
• 3.2.1 喷水室热质交换方程精确解的推导过程
• 3.2.2 喷水室热质交换方程组精确解的证明
• 3.2.3 喷水室热质交换方程精确解的分析
• 3.3 喷水室热质交换方程的解析精确解
• 3.4 撞击流喷水室热湿处理模型和应用
• 3.4.1 撞击流喷水室热湿交换模型的推导
• 3.4.2 公式中几个参数的确定
• 3.4.3 模型算例
• 3.4.4 模型数据与实验数据比较
• 3.5 本章小结
• 4 采用靶式喷嘴喷水室热湿交换实验研究
• 4.1 实验用喷水室概况及测试方案
• 4.1.1 喷水室实验台改造概况
• 4.1.2 实验台测点布置和测试仪器
• 4.1.3 实验测试步骤和数据整理
• 4.2 靶式喷嘴喷水量测试和公式曲线回归
• 4.2.1 靶式喷嘴喷水量测试
• 4.2.2 靶式喷嘴喷水量多元回归方程
• 4.3 用正交实验设计和方差分析判断通用热交换效率的影响因素
• 4.3.1 正交实验设计
• 4.3.2 析因试验
• 4.4 等焓加湿工况下热湿交换效率的影响因素
• 4.4.1 影响喷水室热湿交换效率的因素
• 4.4.2 通用热交换效率的影响因素分析
• 4.5 通用热交换效率的多元回归方程和三维图形
• 4.5.1 通用热交换效率与压力相关的多元回归方程
• 4.5.2 通用热交换效率与水气比相关的多元回归方程
• 4.5.3 通用热交换效率与流速、压力关系的三维图形
• 4.5.4 通用热交换效率与流速、水气比关系的三维图形
• 4.6 本章小结
• 5 靶式撞击流喷嘴的CFD模拟
• 5.1 FLUENT软件概述
• 5.2 靶式喷嘴数值模拟方案的确定
• 5.2.1 流体介质的确定
• 5.2.2 喷嘴几何模型确定
• 5.2.3 靶式喷嘴数值模拟方案
• 5.3 靶式喷嘴流场的数学模型
• 5.4 喷嘴的GAMBIT建模
• 5.4.1 网格生成软件简介
• 5.4.2 喷嘴的几何模型
• 5.4.3 网格划分
• 5.4.4 边界条件
• 5.5 FLUENT软件求解方法
• 5.5.1 求解方法的选择
• 5.5.2 解的收敛判定
• 5.6 喷嘴内外部水射流流场数值模拟分析
• 5.6.1 喷嘴流场模拟分析
• 5.6.2 改进喷嘴流场范围的模拟分析
• 5.6.3 靶式喷嘴在实验台上实际喷射流场照片
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 6.1 论文工作成果和创新点
• 6.1.1 论文工作成果
• 6.1.2 论文的创新点
• 6.2 论文研究的局限性及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 附表