超声速旋转凝结流动规律研究

摘要

天然气超声速旋流分离技术是用于进行天然气处理的一项新工艺,为了保证其分离效果,必须研究天然气在超声速旋流分离管——Laval喷管中的流动与凝结特性,探索影响喷管凝结性质的主要因素,本论文的研究目的是揭示含有水蒸汽的甲烷气体在Laval喷管中的凝结特点。
　　 水蒸汽的凝结模型采用经典成核理论(CNT)来描述,将水蒸汽的液相方程和气相方程的源相都采用UDF加入到Fluent中,实现两相凝结流动控制方程组的求解,模拟了水蒸汽复杂凝结流动的相变行为,同时也验证了氮气和水蒸汽的混合气体凝结规律。将模拟的结果与以前的实验结果进行比较后发现情况基本吻合,这表明所建立的模型能用来研究水蒸汽在Laval喷管中的凝结流动现象。
　　 在验证模型正确的基础上又研究了含有不可凝气体的混合物在喷管中的凝结情况,本文以含有水蒸汽的甲烷气体为例,分析了混合气体在三维喷管中的流动与凝结情况。改变入口压力及喷管膨胀率对过冷度、成核率、液滴数、临界半径、液滴的平均半径等有的重要的影响。随着入口压力的增加,Wilson点位置提前,过冷度减小,成核率减小,液滴的平均半径增大,液滴数目减小;随着膨胀率的减小,过冷度减小,成核率减小,最终的液滴数目也减小,最终水滴的平均半径增大。
　　 文章的最后还分析了液滴直径对分离器的分离效率有着直接的影响,液体的分离效率随着喷管出口平均粒径的增加而增加,这是由于液滴的直径越大,产生的离心力就越大,越有利于液滴的分离。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 凝结流动现象及自发凝结理论

1.1.1 高速流动凝结现象

1.1.2 蒸汽过饱和度

1.1.3 蒸汽凝结核

1.1.4 成核率

1.2 凝结理论应用

1.3 超声速旋流分离技术国内外进展

1.3.1 国外凝结现象研究及超声速旋流分离技术进展

1.3.2 国内凝结现象研究及超声速旋流分离技术进展

第二章 超声速旋流分离器结构设计

2.1 Laval喷管的设计

2.1.1 喷管稳定管段设计

2.1.2 喷管亚声速收缩段设计

2.1.3 喷管喉部设计

2.1.4 喷管扩张段设计

2.2 扩压器的设计

2.3 旋流装置设计

2.4 喷管结构优化

2.5 本章小结

第三章 旋转超声速凝结流动数学模型建立

3.1 凝结模型

3.1.1 成核模型

3.1.2 液滴生长模型

3.2 数值模拟计算模型

3.2.1 湍流模型与求解算法

3.2.2 整体物理模型建立及网格划分

3.2.3 流体物性及边界条件设置

3.3 水蒸汽在二维喷管中的凝结流动

3.3.1 数学模型

3.3.2 用户自定义函数(UDF)

3.3.3 数值方法验证

3.3.4 水蒸汽凝结参数分析

3.4 双组分气体凝结模型验证

3.5 本章小结

第四章 喷管内高速旋流气体凝结特性分析

4.1 几何模型的建立

4.2 模拟计算结果分析

4.2.1 马赫数分析

4.2.2 过冷度分析

4.2.3 成核率分析

4.2.4 液滴临界半径分析

4.2.5 液滴半径以及液滴数分析

4.2.6 湿度情况分析

4.2.7 不同入口压力对凝结的影响

4.2.8 膨胀率对凝结的影响

4.3 本章小结

第五章 超声速旋流分离器内流场分析

5.1 分离器内部单相流场模拟

5.2 多相流模型

5.2.1 混合流场建立

5.2.2 离散相模型

5.3 模拟结果分析

5.3.1 液滴轨迹分析

5.3.2 旋流分离器分离效率

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢