基于空气与氧气混合的管道混合器数值模拟及优化设计研究

摘要

管道混合器作为一种重要的气-气混合工具，具有混合剧烈、性能可靠、传质传热快、工艺连续等优点。本论文研究内容为某企业委托研究项目，要求在设计参数范围内，设计空气-氧气管道混合器，使得在最短的混合长度上，氧气均匀度满足要求。
　　论文通过理论分析，研究了单孔直管管道混合器内气体射流轨迹以及射流轴线上氧气浓度变化规律。在Fitzgerald、O'Leary等人提出了直管混合器设计公式的基础上，考虑到本项目气体混合的参数范围，论文提出了一种新的直管混合器设计公式d/D=5.4(q/Q)，利用该设计公式，(1)设计了单孔直管混合器。(2)在提出多孔射流是多个单孔射流的线性叠加的前提下，设计了双孔直管混合器、四孔直管混合器。(3)在分析弯管流动的基础上，论文提出在直管后增设弯管的弯管混合器，并设计了单孔弯管混合器、双孔弯管混合器和四孔弯管混合器。
　　对三种型式的直管管道混合器进行了数值模拟，结果表明，(1)在x/D=2～10区间内，氧气射流轴心线与主管轴线相切，即浓度最大的点位于圆管的轴心线上，符合几何中心射流判别准则，验证了本论文提出的管道混合器设计公式正确。(2)主管横截断面上氧气浓度均方根的值表明，单孔直管混合器的最大，双孔直管混合器的次之，四孔直管混合器的最小，即孔数越多，均方根值越小，因此选用四孔直管混合器，其结构参数为:孔径2.5mm，沿周向均匀布置。
　　论文对四种型式的弯管管道混合器内空气-氧气混合进行了数值模拟。主管横截断面上氧气浓度均方根的值表明，外侧单孔弯管混合器的最大，内侧单孔弯管混合器的次之，双孔和四孔弯管混合器的最小，因此，选用双孔或四孔弯管混合器。双孔混合器的结构参数为:孔径5.0mm，分别布置在弯管的内侧和外侧;四孔结构参数为:孔径2.5mm，沿周向均匀布置。
　　对直管混合器和弯管混合器的混合效果进行了比较研究。在x/D=10的断面上，双孔直管和弯管混合器氧气浓度均方根的值分别为1.21％和0.48％，四孔直管和弯管混合器氧气浓度均方根的值分别为0.34％和0.32％，即弯管管道混合器的混合效果好于直管管道混合器。
　　在射流为非设计工况（氧气单孔流量分别为0.7m3/h、1.1 m3/h）条件下，对四孔直管混合器和四孔弯管混合器的混合效果分别进行了数值模拟研究。在x/D=10的断面上，四孔直管混合器的氧气浓度均方根的值分别增加0.04％和0.13％，四孔弯管混合器的氧气浓度均方根的值分别增加0.01％和0.03％，表明混合器对射流流量的变化的适应性较强。

目录

声明

摘要

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文的主要研究内容

第2章 直管道混合器气体混合过程的理论分析

2．1 直管道气体混合器

2．2 射流运动轨迹

2．3 射流氧气浓度变化规律

2．4 气体混合均匀性判别准则

2．4．1 断面气体浓度均方根

2．4．2 几何中心射流判别准则

2．4．3 断面气体浓度相对值

2．4．4 氧气浓度差的相对值

2．4．5 断面氧气浓度二次矩

2．5 直管气体混合器的设计

第3章 管道混合器内气体混合数值模拟

3．1 控制方程

3．2 壁面函数法

3．3 基于有限体积法的控制方程离散

3．3．1 有限元体积法

3．3．2 三维稳态问题的离散方程

3．4 流场数值计算的SIMPLE算法

3．4．1 SIMPLE算法的基本思想

3．4．2 速度修正方程

3．4．3 压力修正方程

3．4．4 SIMPLE算法的计算流程

3．5 网格的生成

3．6 边界条件

第4章 直管混合器内气体混合数值模拟

4．1 单孔混合器

4．2 双孔混合器

4．3 四孔混合器

4．4 氧气浓度均方根分析

4．5 变工况下混合器的研究

第5章 弯管混合器内气体混合数值模拟

5．1 弯管中的流体流动

5．2 外侧单孔弯管混合器

5．3 内侧单孔弯管混合器

5．4 双孔混合器

5．5 四孔混合器

5．6 氧气浓度均方根分析

5．7 变工况下混合器的研究

5．7．1 双孔管道混合器变工况研究

5．7．2 四孔管道混合器变工况研究

5．8 直管混合器和弯管混合器的比较

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文