低温液体—水流动与相际传热特性研究

论文摘要

本课题研究低温液体直接排入水中这一特定流动与相际传热物理现象。低温液体喷入水中为浮力射流,但由于这一过程中低温液体产生液-汽相变,浮升力的突变和气相的可缩性大大增加此问题的难度。研究此时的传热现象主要采用实验研究的方法,文中根据常压实验拍摄到的流型,分析影响此气-液-液相互混合大脉动紊流的传热及流动的关键因素,提出描述此时传热和流动过程的基本概念和方法。本文研究超临界压力与常压下排放时,影响流动与传热的主要因素的不同之处。依超临界压力下的特性,提出研究此种状态下宜采用方法。本文在实验过程中观察到经过一段持续的排放时间后,近管口水域的温度降低,出现水域冻结并冰层不断增长状况。本文重点研究发生水域冻结现象时的冰层温度和边界的变化,文中依据传热学中的基本理论和数量级的分析方法、计算传热学的方法建立适用于计算机求解的计算冰层温度场和边界的数学模型,此模型可描述不同的排放速度、管径、排放压力条件下的冰层生长状况。模拟的结果表明冰层生长速度随时间衰减的幅度轴向大于径向。管径和出口流速增大均能使结冰区域的轴向范围增大,但对近排放口处的厚度影响较小。模型的计算机模拟结果与实验结果吻合较好,验证了此模型对研究低温液体水下排放水域的冻结状况的实用性。本文进行液氮常压水下排放的实验研究,获取并分析排放过程中流型变化、冰层生长状况的静止和活动的影像信息和测温数据。本文提出模拟超临界压力实验环境的实验方案,设计了实验台架、设备和测量方案。本文的工作验证低温液体水下直接排放的可行性。冰层温度场模型的计算方法可作为设计管口除冰方法或装置的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 低温液体-水流动与相际传热问题的提出
• 1.2 相际传热特性的影响因素
• 1.3 本文内容概述
• 2 相关理论基础与研究进展
• 2.1 低温液体的排放技术
• 2.2 两相流及低温液体沸腾换热
• 2.3 射流及计算流体力学和界面追踪技术
• 2.4 超临界问题
• 2.5 小结
• 3 相际传热数学模型与数值模拟
• 3.1 常压下排放流形和传热分析
• 3.2 超临界状态下流动传热过程分析
• 3.3 水域发生冻结后的温度场、冰层界面模型和分析模拟
• 3.4 小结
• 4 液氮常压水下排放实验研究和超临界实验方案的设计
• 4.1 液氮常压水下排放实验研究
• 4.2 超临界水下排放液氮实验方案设计
• 4.3 小结
• 5 工作总结与后续工作展望
• 感谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文