多相循环换热系统流动特性实验及理论研究

论文摘要

本文根据实验流体力学、现代测控技术、计算流体力学以及非线性理论,依据化学工程中小试、中试步骤,对多相循环换热系统流动特性进行了实验和理论研究。首先,本文利用实验手段对结构相对复杂、流动形式多变、影响因素众多的多相循环换热系统进行了冷态小试实验。根据相似理论、流态化原理,提出一种由主分布器和预分布器组成且有望实现工业化的固液分布器,利用实验方法验证了此固液分布器的效果;绘制了多相循环换热系统在不同操作条件下的流型图;研究了具有此分布器的多相循环换热系统在不同操作条件,物性条件和结构条件下换热管束中固含率,颗粒循环速率,下管箱的静压降,板压降及全塔压降的变化规律。确定了影响多相循环换热系统中管束固含率的主要结构因素。同时测量了多相循环换热系统在正常操作条件下各区域内流动特性基础实验数据。其次,对于多相循环换热系统进行了冷态中试实验。建立了两套多相流测试系统。一套为多相流动图像采集和处理系统,解决了该系统在测试过程中所遇到的图像畸变和运动颗粒识别等难题。另外一套为可同时测量多换热管束固含率的光电采集系统。在实验过程中标定了光电信号与固含率信号的关系。利用压降法测量了单相纯水条件下主分布器进出口的局部阻力系数。之后,在水-玻璃珠两相体系及下管箱平均固含率为30-40%条件下,测量了不同直径条件下固液两相与纯水相分离和汇合流动时不同的局部阻力系数。最后,推导了主分布器设计公式,并用压降法进行了验证。随后,利用两相流中颗粒动力学理论对多相循环换热系统下管箱和换热管区域进行了二维瞬态数值模拟。利用压力信号对数值模拟结果进行了验证。根据实验测量的固含率及多相局部阻力数据,修正了主分布器区域动量方程,增加了动量源相,提高了模拟精度。利用颗粒动力学模型优化了组合式分布器中V型挡板的结构形式、多孔板的开孔率结构参数。结合工程分形理论,设计了分形式下管箱,为多相循环换热系统的放大研究提供了理论依据。最后,利用统计分析、混沌分析理论对多相循环换热系统中多相换热管中的流动瞬态行为进行了研究。采用不均匀度概念,以小波分析为基础,计算了多尺度信号不均匀度和K熵。建立了多相循环换热系统微观流动与上述两种函数的关系。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 文献综述
• 2.1 多相循环换热系统研究状况
• 2.1.1 多相循环换热系统的发展状况
• 2.1.2 多相循环换热系统结构发展历程
• 2.1.3 多相循环换热系统流动、传热研究进展
• 2.1.4 固液分布器结构形式发展历程
• 2.2 多相流中颗粒特性的测试方法
• 2.2.1 超声多普勒技术
• 2.2.2 激光多普勒技术
• 2.2.3 摄像法
• 2.2.4 光纤探头法
• 2.2.5 射线吸收法
• 2.2.6 放射性示踪颗粒法
• 2.2.7 体积容积法
• 2.3 多相流动理论研究进展
• 2.3.1 流态化理论
• 2.3.2 多相计算流体力学理论
• 2.3.3 多相流体实验研究方法
• 2.3.4 分布器设计方法
• 2.3.5 多相流瞬态信号分析理论
• 2.4 论文工作提出
• 第三章 多相循环换热系统小试实验研究
• 3.1 多相循环换热系统小试实验
• 3.1.1 多相循环换热系统小试实验装置
• 3.1.2 组合式分布器设计原理及结构形式
• 3.1.3 实验操作条件
• 3.1.4 实验测试方法及表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 液固循环换热系统流动特性研究
• 3.2.2 气液固三相循环换热系统流动特性研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 多相循环换热系统中试实验研究
• 4.1 多相循环换热系统实验装置及流程
• 4.1.1 实验物系
• 4.1.2 实验测量参数
• 4.1.3 实验流程
• 4.2 多相流图像采集和处理系统研究
• 4.2.1 硬件系统
• 4.2.2 软件系统
• 4.3 多管束光电测量系统
• 4.3.1 光电法测量管束中固含率的基本原理
• 4.3.2 硬件组成
• 4.3.3 标定实验
• 4.4 实验方案
• 4.4.1 局部阻力系数实验方案
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 局部阻力系数
• 4.5.2 主分布器设计经验公式
• 4.6 本章小结
• 第五章 多相循环换热系统数值模拟
• 5.1 计算流体力学在多相流动中应用
• 5.1.1 计算流体力学发展历程
• 5.1.2 双流体模型研究进展
• 5.2 数值模拟过程
• 5.2.1 计算区域
• 5.2.2 网格划分
• 5.2.3 方程推导
• 5.2.4 边界条件
• 5.2.5 数值求解方法
• 5.3 工程分形理论
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 单管液固换热系统瞬态模拟研究
• 5.4.2 模型验证
• 5.4.3 倒V形挡板结构优化
• 5.4.4 多孔板开孔率结构优化
• 5.4.5 主分布器直径结构优化
• 5.4.6 下管箱箱体结构优化
• 5.5 本章小结
• 第六章 多相循环换热系统瞬态信号分析
• 6.1 多相流态化领域中瞬态信号分析
• 6.1.1 统计分析
• 6.1.2 混沌分析
• 6.1.3 小波分析
• 6.1.4 多相流动瞬态信号多尺度分析
• 6.2 数据采集频率和样本空间确定
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 多相循环换热系统中瞬态固含率信号分析
• 6.3.2 多相循环换热中系统统计分析
• 6.3.3 多相循环换热系统混沌特性分析
• 6.3.4 多相循环换热系统小波分析
• 6.3.5 多相循环换热系统多尺度分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 本文结论
• 7.1.2 本文创新点
• 7.2 展望
• 参考文献
• 符号说明表
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢