流体中杂质低温凝固过程的介观数值方法研究

摘要

“冰堵”现象严重影响制冷与低温系统的运行和安全。制冷系统中，若制冷剂中混入了水分，在节流阀之后由于制冷剂温度降至0℃以下，会使得制冷剂中的水凝固成冰，从而堵塞节流阀造成冰堵。低温液体（如液氢、液氧和液氮等）生产和输运过程中，杂质可能会凝固，在阀门处积聚造成堵塞问题。宏观尺度的研究对相界面的描述和捕捉有一定的局限性。介观数值模拟方法研究可以加深对凝固过程的认识，深入了解冰堵现象发生的机理。本文通过相场法(Phase Field Method，PFM)和格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)对凝固过程进行研究。
　　首先针对流场静止的情况下，利用相场法模拟出凝固发生时枝晶生长的过程。从圆形晶核开始不断长大，由于各相异性的存在，6个主轴枝晶生长而出，随着凝固的继续，主轴上又有二次枝晶生长而出。过冷度越低，枝晶生长越快，凝固速率越快，主轴上的二次枝晶也越细密。利用文献中的实验结果验证了模拟结果，两者具有较好的吻合性。
　　然后，针对运动流场情况下的凝固过程，利用相场法与格子玻尔兹曼方法，模拟结果发现，枝晶呈不对称生长，迎流侧主轴枝晶与二次枝晶都较为发达，背流侧的枝晶生长受到抑制，二次枝晶生长不明显。造成枝晶生长不对称性的主要原因是运动流场造成迎流侧固液之间温度梯度较大，持续过冷，有利于枝晶的生长。背流侧由于流速较低以及上游流体带来的热量，导致过冷度较小，枝晶生长受到抑制。最后利用文献实验结果，验证了模型，发现具有较好的吻合性。
　　本文提出的相场-格子玻尔兹曼模拟方法，可以有效地研究流体中杂质低温凝固的过程，为未来更深入的相关研究提供一种有效的方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 凝固过程实验研究进展

1．2．2 凝固过程模拟方法的研究进展

1．3 本文主要内容

第二章 凝固原理与模型

2．1 形核与生长

2．2 枝晶生长模型

2．2．1 金兹堡-朗道理论

2．2．2 相场法模型

2．2．3 流场作用下相场法模型

2．3 模型的数值求解

2．3．1 控制方程的离散

2．3．2 差分方程的稳定性条件

2．3．3 初始条件及边界条件

2．3．4 计算步骤与程序流程

2．3．5 后处理

2．4 本章小结

第三章 凝固过程的模拟与分析

3．1 凝固过程的枝晶形态

3．1．1 初始条件设置

3．1．2 时间步长独立性验证

3．1．3 凝固过程枝晶形态演化

3．2 过冷度对凝固过程的影响

3．3 实验对比验证

3．4 多晶核凝固生长过程

3．4．1 初始条件设置

3．4．2 凝固过程形态的演化

3．4．3 过冷度对多晶核凝固过程的影响

3．5 本章小结

第四章 流场对凝固过程的影响

4．1 凝固生长过程

4．1．1 凝固过程的形态演化

4．1．2 实验对比验证

4．2 流速对凝固过程的影响

4．2．1 不同流速时的凝固生长形态

4．2．2 不同流速对固相率的影响

4．2．3 不同流速对枝晶尖端生长速度的影响

4．3 多晶核凝固生长

4．3．1 初始条件设置

4．3．2 凝固形态的演化

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间学术成果