高压天然气涡流管内能量分离特性及节流换能技术研究

摘要

涡流管自问世以来，其能量分离机理一直是国内外相关领域专家学者研究的重点。由于涡流管能量分离机理的理论价值巨大，应用前景更广阔，因此，应对其能量分离特性进行深入地研究。本文以逆流型涡流管为研究对象，采用数值模拟和实验两种方法对涡流管内的能量分离效应进行研究，主要研究内容与结论如下： 从可压缩气体在涡流管内运动时的能量守恒方程出发，结合流体力学相关知识，对涡流管能量分离机理进行分析，经公式推导得出：涡流管内能量分离现象是压力的不定常性、气体的粘性以及气流之间的热传递共同作用的结果；同时以热力学第一定律、热力学第二定律为依据，建立了涡流管内能量分离过程的热力学模型，采用最小化熵产分析法对涡流管内熵的变化进行分析，发现涡流管内的熵产分为两部分：由温度变化引起的熵变以及由压力变化引起的熵变。 建立四流道喷嘴涡流管和六流道喷嘴涡流管的数值模型，采用标准k-ε模型对涡流管内的流动与传热过程进行了数值模拟，得到了管内的速度、压力以及温度分布规律，并研究了入口压力以及冷流率对涡流管能量分离效应的影响。模拟结果表明：在保持入口压力不变的情况下，涡流管的制冷效应随着冷流率的增大呈现先增大后减小的趋势，存在着使制冷效应最佳的冷流率，制热效应随冷流率的增大而增大；当冷流率相同时，随着入口压力的增大，制冷效应以及制热效应均呈现增大的趋势。涡流管内部存在着轴向速度相反的两股气流，内旋流从涡流管的冷端流出，外旋流从涡流管的热端流出。同时，涡流管内部存在着循环流，循环流的存在使内旋流的能量传递到外旋流中，使得涡流管内存在能量分离现象。 建立涡流管内能量分离效应的性能评价指标，并通过实验的方法对四流道喷嘴涡流管和六流道喷嘴涡流管的能量分离特性进行了研究，研究了入口压力、冷流率以及喷嘴数目对涡流管能量分离特性的影响，得到了涡流管的制冷效应、制热效应、单位制冷量、单位制热量以及制冷效率随入口压力、冷流率的变化规律。研究结果表明：在涡流管的制热性能方面，六流道喷嘴涡流管的性能较优，但在涡流管的制冷性能方面，四流道喷嘴涡流管的性能较优。根据涡流管的能量分离特性，可据此提出基于涡流管节流过程的温度控制实施方案，使用涡流管代替节流过程，以实现集输流程的简化，降低投资及运行费用。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 涡流管的发展进程

1.3 涡流管的研究现状

1.3.1 涡流管能量分离机理研究现状

1.3.2 涡流管内部场的研究现状

1.4 主要研究内容

1.5 研究路线

第2章 涡流管能量分离机理研究

2.1 涡流管内部结构及流动分析

2.2 涡流管能量分离机理的数学描述

2.3 涡流管热力学方法的研究

2.3.1 涡流管热力学分析

2.3.2 涡流管内熵变规律

2.4 涡流管内部的热力学工作过程

2.5 本章小结

第3章 涡流管内能量分离过程数值模拟

3.1 数学模型建立

3.1.1 基本控制方程

3.1.2 湍流模型

3.2 物理模型建立

3.2.1 物理模型简化

3.2.2 网格划分

3.2.3 网格无关性验证

3.2.4 数值模拟方法

3.2.5 模拟结果验证

3.3 涡流管数值模拟结果与分析

3.3.1 涡流管流场形态

3.3.2 涡流管速度场分布

3.3.3 涡流管压力场分布

3.3.4 涡流管温度场分布

3.3.5 不同因素对涡流管能量分离效果的影响

3.3.6 天然气涡流管内能量分离效果

3.4 本章小结

第4章 实验系统

4.1 实验涡流管尺寸

4.2 实验测试系统

4.3 实验设备

4.3.1 气体供应系统

4.3.2 压力及流量测量系统

4.3.3 温度测量系统

4.4 数据采集

4.5 实验介质参数

4.6 本章小结

第5章 涡流管能量分离特性的实验研究

5.1 涡流管性能评价指标

5.2 涡流管蜡融化实验

5.3 涡流管能量分离特性实验研究

5.3.1 实验方案

5.3.2 涡流管的红外测量结果

5.3.3 四流道喷嘴涡流管实验数据

5.3.4 六流道涡流管实验数据

5.3.5 模拟结果与实验数据对比

5.3.6 四流道、六流道涡流管实验数据对比

5.4 涡流管节流过程温度控制实施方案

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢