液-液循环流化制取流体冰的数值模拟与试验研究

摘要

液-液循环流化制取流体冰是一项新提出的动态制冰方法。该方法基于液-液雾化理论与工程上广为应用的流态化技术，系统制冰效率高，且制冰量易于控制，适合应用于大规模制冰场合，同时还具有装置简单、运行连续稳定等优点，在冰蓄冷技术领域具有广阔的应用前景。针对该流体冰制取新技术所涉及的几方面关键问题，如：液-液雾化机理与特性、液-液循环流化动态制冰特性、制冰床体内液-液-固多相流动与换热特性、液-液循环流化制冰过程的热力学特性等，本文基于试验与数值模拟研究手段，进行了系统深入的研究与分析。研究内容分为以下五个部分。 建立了液-液雾化试验研究装置，对液-液雾化体系的雾化特性进行了试验研究。通过大范围地改变试验工况条件，获得了液-液雾化形态发展与演变的全过程；捕捉了射流高度的时间脉动特性，分析了射流非稳定发展与其动态破碎特性，并探讨了不同雾化形态中射流高度脉动强度与平均射流高度的变化规律；分析了雾化液滴粒径及其分布特性，并获得了喷射流率、载流介质循环量等关键操作参数对雾化特性的影响规律。同时，基于在循环流化制冰装置中的应用背景，在制冰工况温度范围内对液-液雾化特性进行了研究，着重探讨了载冷介质粘度变化对雾化特性的影响，并揭示了低温环境中雾化特性与关键操作参数之间的关系。 在试验研究的同时，为了深入地发掘液-液雾化体系的雾化机理与特性，本文并行地展开了数值模拟研究。针对三种典型液-液雾化发展形态的雾化特征，分别建立了数学求解模型，采用VOF/CSF方法准确追踪液-液相间具有拓扑结构的复杂自由界面，采用LES模型求解高喷射流率下两相湍流脉动场；从时间与空间微观尺度层面对三种典型雾化形态的雾化特性细节进行了描述；将模拟结果与试验结果进行了多方位地对比与分析，验证了本文所建立数学模型的适用性以及数值模拟预测结果的可靠性与准确性；采用无量纲参数就不同因素对三种典型雾化形态雾化特性的影响进行综合、系统地分析，进一步地揭示了液-液雾化体系的雾化机理与特性。 建立了流体冰制取试验研究装置，对液-液循环流化动态制冰特性进行了系统深入的试验研究。结合多种粒径分布描述方法全面地对所制取冰晶的粒径分布特性进行了分析，并揭示了关键操作参数的影响规律；通过扩大试验工况参数范围，获得了关键操作参数对冰晶平均尺寸的影响规律；通过多工况调试与分析以及大量的验证性试验，获得了制冰装置平衡运行状态下关键操作参数间的相互依赖关系；分析了床内载冷油介质的温度分布，揭示了不同操作条件下制冰床内多相流动体系的宏观换热特性；同时，基于图像采集系统与数字图像处理等方法实时捕捉了不同床高处离散颗粒的流动形态，分析了离散颗粒在床内流动换热过程中碰撞-聚并现象，揭示了不同操作参数对颗粒碰撞-聚并的影响规律。 建立了适合应用于制冰床内多相流动与换热体系的热态CCDM数学求解模型，包括：液滴、冰晶碰撞求解模型、液-液-固相间动量与能量全耦合机制、高效的当地非结构网格搜索法等，对制冰床内多相流动与换热特性进行了进一步的研究。基于热焓平衡法对单个液滴在流动的低温环境中凝固换热过程进行了研究，获得了单个液滴的相变传热特性；通过多工况条件模拟计算以及试验研究结果验证，确立了采用O'Rourke定律或软球模型求解离散颗粒间碰撞的判别准则，并分析了聚并颗粒的流动与换热特性；获得了制冰床内载冷油介质的温度分布，并与试验结果进行了对比，验证了所建立数学模型模拟结果的准确性与可靠性；分析了制冰床内离散颗粒相的瞬态温度、速度、局部数密度与体积浓度分布特性，并探讨了不同粒径档颗粒在床内停留时间特性，进一步地揭示了循环制冰床内多相流体系的流动与换热特性。 在所建立的试验研究装置上，对液-液循环流化制取流体冰装置制冰过程的热力学特性进行了试验研究与分析。对循环制冰床等效跑冷系数进行了试验测定，通过容积换热系数表征了制冰床内多相流动与换热体系的相间换热效率，并揭示了关键操作参数的影响规律；在现有规模的试验装置上，将本制冰装置与静态制冰装置进行了定性对比，初步分析了本制冰新方法的制冰效率，展示了其应用于冰蓄冷技术领域所具有的潜力与前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1论文研究背景及意义

1.1.1冰蓄冷技术原理与应用

1.1.2冰蓄冷技术及其发展状况

1.2流体冰技术

1.2.1流体冰与其应用

1.2.2流体冰技术研究与发展

1.2.3现有流体冰制取技术及其研究现状

1.3本文研究内容及方法

1.3.1液-液循环流化床动态制冰方法

1.3.2研究思路与目标

1.3.3研究内容与技术路线

1.4小结

第二章循环流化制冰新方法及试验装置的建立

2.1液-液循环流化制冰新方法

2.2试验装置及其建立

2.2.1试验设备

2.2.2试验装置的建立

2.3循环载冷介质

2.4小结

第三章液-液雾化特性的试验研究

3.1液-液雾化理论及其研究进展

3.1.1滴流雾化(Dripping)

3.1.2连续射流雾化(Jetting)

3.2本文试验内容及方法

3.3试验图片处理

3.4液-液雾化形态转型现象研究

3.4.1判别准则数

3.4.2液-液雾化形态演化过程

3.5射流高度

3.5.1射流高度时间脉动特性

3.5.2平均射流高度

3.6雾化液滴粒径与其分布

3.6.1 Rosin-Rammler模型

3.6.2雾化液滴粒径Rosin-Rammler分布

3.6.3液滴平均粒径

3.6.4液滴粒径分布散度

3.6.5液滴粒径分布的累计质量分数

3.7低温环境中液-液雾化特性研究

3.7.1载流油介质粘度的影响

3.7.2低温环境中喷射流率的影响

3.7.3低温环境中油介质循环量的影响

3.8小结

第四章液-液雾化数学模型的建立

4.1自由界面流的数值计算方法

4.2 VOF模型

4.2.1控制方程

4.2.2 PLIC界面重构技术

4.2.3 CSF方法

4.3计算方法

4.3.1网格划分

4.3.2边界条件

4.3.3离散格式及数值算法

4.4小结

第五章液-液雾化的数值模拟研究及其试验验证

5.1液-液雾化形态与特性

5.1.1鼓泡型雾化

5.1.2层流射流型雾化

5.1.3湍动射流型雾化

5.2数学模型的试验验证

5.2.1雾化形态的模拟与试验结果对比分析

5.2.2液滴粒径的模拟与试验结果对比分析

5.2.3液滴粒径频率分布的模拟与试验结果对比分析

5.2.4射流高度脉动特性的模拟与试验结果对比分析

5.3关键参数的影响分析

5.3.1 Re数的影响

5.3.2 Ca数的影响

5.3.3 Bo数的影响

5.3.4周围流场流动的影响

5.3.5两相粘度比的影响

5.3.6喷嘴口沿厚度的影响

5.4小结

第六章循环流化动态制冰特性的试验研究

6.1试验方法与数据测量

6.1.1试验方法

6.1.2试验数据测量原理及方法

6.2冰晶粒径分布特性

6.2.1频率分布图与盒状图分析

6.2.2冰晶粒径分布的Pearson x2拟和优度检验

6.3操作参数对冰晶平均粒径的影响分析

6.3.1喷射流率的影响

6.3.2喷嘴内径的影响

6.3.3油介质循环流量的影响

6.3.4油介质入床温度的影响

6.4制冰装置平衡运行特性

6.4.1循环床内载冷油介质沿程温变

6.4.2平衡工况下制冰量与油介质循环量关系

6.4.3平衡工况下制冰量与入床油温关系

6.4.4平衡工况下油循环流量与入床油温关系

6.5循环床内多相流动传热特性与分析

6.5.1喷射流率的影响

6.5.2油介质循环流量的影响

6.5.3油介质入床温度的影响

6.5.4喷嘴口径的影响

6.6循环床内颗粒碰撞-聚并特性与分析

6.6.1喷射速率的影响

6.6.2油介质循环流量的影响

6.6.3油介质入床温度的影响

6.7小结

第七章基于CCDM的循环床内多相流动与换热数学模型

7.1颗粒多相流的数值计算方法

7.2 CCDM数学模型

7.3控制求解方程

7.3.1连续相

7.3.2离散相

7.3.3连续-离散相间全耦合算法

7.3.4基于热焓平衡法的颗粒凝固过程数学模型的建立

7.3.5颗粒碰撞模型

7.4求解方法

7.4.1高效非结构网格搜索法

7.4.2模拟对象与计算条件

7.4.3数值计算方法

7.5小结

第八章循环床内多相流动与换热特性的数值模拟研究

8.1单个液滴相变传热规律

8.1.1无量纲温度瞬态分布

8.1.2液滴冻结速率

8.1.3液滴冻结的影响因素分析

8.2液滴碰撞聚并研究

8.2.1颗粒碰撞模型的判别准则

8.2.2聚并颗粒的流动与传热特性

8.3循环床内多相流动与换热特性分析

8.3.1载冷油介质温度分布

8.3.2颗粒相温度分布

8.3.3颗粒相轴向速度分布

8.3.4颗粒相浓度分布

8.3.5颗粒停留时间

8.4小结

第九章循环流化制冰过程的热力学特性分析

9.1循环制冰床容积换热系数

9.2循环制冰床跑冷系数

9.3关键操作参数的影响分析

9.3.1喷嘴口径的影响

9.3.2载冷油介质入床温度的影响

9.3.3载冷油介质循环流量的影响

9.3.4喷水量的影响

9.4制冰效率初步分析与讨论

9.5小结

第十章结论与展望

致谢

参考文献

作者攻读博士学位期间发表的论文及研究成果