液体连续相撞击流水合反应器内流动特性研究

摘要

天然气水合物是天然气与水在高压低温的条件下形成的类冰状笼形结晶化合物，其被认为是21世纪最具潜力的洁净新能源。目前天然气水合物储运技术是水合物领域的研究热点之一。天然气水合物的快速生成技术是天然气水合物储运技术应用的前提，同时也是其它天然气水合物应用技术的基础。
　　基于对水合物生成机理的研究，水合物的生成过程即气液两相之间的溶解成核过程，因此，强化气液两相传递过程能促进水合物的快速生成。撞击流过程强化技术作为一种新型、高效、节能的过程强化技术已经成功应用于燃烧、结晶、萃取、混合等化工领域。撞击流技术相比传统的过程强化手段，其相对极高的相间相对速度能极大地强化相间传递过程。
　　撞击流过程强化技术应用于水合物快速生成领域，是一种新的尝试。针对水合物生成的特点，本文设计开发了液体连续相撞击流水合反应器，考察了液体连续相撞击流水合反应器内流动特性，采用现代流体测量技术激光多普勒测速仪（LDV）和数值模拟两种方法，分析水合反应器内流场及速度波动情况，以期通过对其流动特性的研究为液体连续相撞击流在水合物快速生成领域的应用提供基础。通过实验研究与数值模拟，取得以下研究成果：
　　（1）撞击区流体速度及速度波动实验研究。采用LDV对径向位置（图3.4） r/R=0.5、r/R=1、r/R=1.5处的竖直方向速度分量及波动进行了统计分析。发现导流筒处的流体流动不是平推流，径向位置r/R=1处的流体是同轴相向的流体撞击束。进一步对该位置的速度波动进行分析，发现竖直方向速度波动最小的位置位于两导流筒中间的中面位置，波动最强的位置位于中面上下两侧处（见图3.8）。且研究表明竖直方向速度湍流强度最强的位置为 Z=3处，该处位于两导流筒中面的上方（见图3.9）。
　　（2）不同倾角斜叶桨式搅拌器的流体推进能力研究。基于径向位置 r/R=1为撞击束位置的结论，采用LDV测量了r/R=1导流筒出口处的竖直方向速度。发现对于30°、45°与60°三种倾角搅拌器，倾角越大导流筒出口处的速度越大。同时，对于同一搅拌器，转速越高，出口速度越大，二者近似呈线性关系。考虑到搅拌器推进能力的各种影响因素，定义竖直方向速度与桨叶竖直方向上的辐射面积的乘积来反映桨叶的推进能力的大小，比较得出45°倾角的斜叶桨式搅拌器相比30°与60°斜叶桨式搅拌器，具有更好的推进能力。
　　（3）液体连续相撞击流数值模拟研究。采用Fluent中应用最广泛的k-ε模型和MRF方法考察了反应器不同转速（200、400、600、800 r/min）下的流场。将径向位置r/R=1处竖直方向速度的数值模拟结果与实验结果进行对比，发现二者结果趋势相同，证明了数值模拟研究方法的可行性。数值模拟结果显示，转速为200、400、600、800 r/min时撞击面向上偏移中面（mid-plane）的距离分别为1.21 mm、1.61 mm、1.685 mm、1.766 mm。同时发现重力作用是造成撞击面偏移的原因，且随着桨叶转速的增大，反应器内流体湍动强度明显加强，且最大湍动强度依次为1.49％，3.00%、4.53%、6.04%。最大湍动强度位于桨叶附近，远离桨叶湍流强度减小，撞击区内湍流强度没有桨叶附近大，但由于流体的连续撞击，湍流强度维持到一定值，且范围较大，延伸至导流筒外层一段距离，撞击流明显加强了反应器内湍流程度。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 本文研究内容和方法

1.3 本论文结构介绍

2 文献综述

2.1 气体水合物

2.2 水合物的生成机理

2.3 水合物快速生成技术

2.4 撞击流过程强化技术

2.5 撞击流技术最新研究进展

2.6 撞击流水合反应器结构

3 撞击区流体速度及波动实验研究

3.1 实验方案

3.2 LDV激光多普勒测速仪

3.3 LDV测量点分布

3.4 波动强度的统计分析

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

4 不同倾角斜叶桨式搅拌器推进能力研究

4.2 实验装置

4.3 结果处理及分析

4.4 本章小结

5 数值模拟

5.1 液体连续相撞击流数值模拟控制方程

5.2 湍流数值模拟方法

5.2 求解方法介绍

5.3 撞击流数值模拟

5.4 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

符号说明

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢