T形管内有机工质气液两相流相分离数值模拟及实验研究

摘要

在有机工质热力循环系统中，气液两相工质的分离往往是必不可少的，因此气液分离器在热力循环中具有广泛应用价值及重要性。在众多不同结构、不同原理的气液分离器中，T形管相比其他气液分离器具有结构简单，紧凑性强，易与系统集成，成本低廉等优势，并已被证明其有效性，因此是一种较有前景的分离装置。
　　本文以T形管内有机工质气液两相分离作为研究对象，旨在了解并建立T形管内相分离相关理论以及数学模型，明确T形管作为气液分离器的分离性能，研究T形管相关参数对T形管相分离性能的影响。因此本文从数值模拟及实验研究两个角度对T形管内有机工质相分离进行研究与分析。由于T形管内相分离受入口流型的影响很大，因此本文首先对一种特定的流型----环状流在T形管前端的直管段内的流动情况进行了数值模拟建模工作，模型考虑环状流中液滴的夹带和沉积作用，利用CFD方法对直管内环状流动进行数值模拟工作；随后，本文接着对顺流型T形管内有机工质环状流相分离建立了数学模型进行数值模拟工作，模拟中利用欧拉模型对气液两相流进行描述，同时考虑相间阻力的作用；然后，本文又针对作为有机工质气液分离器的竖直撞击型T形管的相分离性能进行了实验研究。实验工质为R134a和R245fa，实验中利用高速摄影仪拍摄了T形管上出口流型，获得了上出口雾状流到搅混流的流型转变界线，与此同时实验研究了不同T形管入口干度以及入口质量流量对出口参数、气相分离效率、液相分离效率的影响；最后，本文尝试推断了竖直撞击型T形管内有机工质相分离的相关理论及数学模型。
　　全文主要结论如下：（1）直管内环状流数值模型能够较好的预测环状流相关参数以及各参数随入口参数的变化趋势。（2）顺流型T形管的相分离数值模型能够对T形管侧管液相质量流量比FL在0.2到0.6之间的工况给出较好的分离参数预测值。（3）对于顺流型T形管相分离而言，有机工质间的差异以及饱和温度的变化对相分离参数的影响较小；T形管入口质量流速对相分离参数的影响较大。（4）对竖直撞击型T形管内有机工质气液分离效率进行的实验研究中发现：T形管入口处于小流量及小干度情况下，T形管上出口处于雾状流流型，当入口流量及入口干度增大到一定程度后，T形管上出口由雾状流转变为搅混流；基本上，T形管液相分离效率随入口干度的增大而逐渐减小，同时入口质量流量越大，液相分离效率越低；T形管上出口流型对液相分离效率起到了决定性作用，当处于雾状流时，T形管液相分离效率几乎均在90％以上。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 T形管内气液相分离研究进展

1.3 管内气液两相环状流研究现状

1.4 竖直撞击型T形管实验研究现状

1.5 本文研究内容

第二章 有机工质气液两相环状流的数值模拟

2.1 气液两相环状流物理问题的概述

2.2 基于VOF法的有机工质气液两相环状流数学模型

2.3 模拟结果及验证

2.4 本章小结

第三章 有机工质环状流在顺流型T形管内相分离的数值模拟

3.1 顺流型T形管内相分离的问题概述

3.2 顺流型T形管相分离的数学模型

3.3 网格划分及边界条件设置

3.4 用于研究T形管气液相分离的经典方法----划分流线法（Dividing stream line）阐述

3.5 模拟结果与实验结果的对比验证

3.6 本章小结

第四章 有机工质在竖直撞击型T形管内的相分离实验研究

4.1 实验系统整体介绍

4.2 实验系统主要部件介绍

4.3 主要测量仪器介绍

4.4 实验的准备及操作流程

4.5 实验参数及工况

4.6 误差分析

4.7 结果与讨论

4.8 本章小结

第五章 有机工质在竖直撞击型T形管内相分离数值模拟的尝试

5.1 竖直撞击型T形管内相分离理论推测

5.2 数值模拟的数学模型尝试

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 创新点

6.3 进一步研究的建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢