低温冷凝可视化实验装置设计与竖壁冷凝过程模拟研究

摘要

大规模工业气体应用促进空气分离设备向大型化发展，空分能耗问题变得日益突出。空分关键设备主冷凝蒸发器中氮气冷凝侧的传热与流动存在较大的优化提高的空间，其中蕴含的机理性问题即低温流体冷凝。低温流体冷凝是指在低温温区（120K以下）发生的冷凝现象，低温流体与常规室温流体的物性存在显著差异，导致低温冷凝存在很多特性。而要准确而深入地探究翅片微小通道内的冷凝两相流动过程，必须掌握其流型信息，这就需要借助先进的可视化手段。低温冷凝的研究在我国基本处于空白阶段，其实验的难点在于低温下绝热密封条件苛刻，以及温度和压力的准确测量。
　　为此本文设计搭建了国内外首个可研究竖壁等结构表面低温冷凝过程的可视化试验装置，冷凝实验段采用带光窗的刀口法兰密封，实现了低温高压可视化装置的可拆密封，并可拆卸更换冷凝表面，以研究各种尺寸、结构及材料的竖壁表面及翅片通道内的冷凝过程。经初步测试，实验装置运行稳定，真空性能良好，漏热影响较小，使用高速摄像机可清楚地观察到氮的冷凝流动现象。竖壁冷凝的实验结果与理论计算结果比较吻合，初步验证了实验装置的准确性和合理性。
　　基于Fluent软件建立了氮气在竖壁表面冷凝的二维模型，使用VOF多相流模型对气液界面进行追踪，并借助UDF计算冷凝相变的传质过程，主要考察了温度场、速度场、冷凝液膜厚度等参数。模拟结果表明温度场、速度场分布合理，液膜厚度与理论计算值比较吻合，初步证明该模型的正确性，并且指出了下一步模型的改进方向。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 低温冷凝的研究综述

1．2．1 低温冷凝与常温冷凝的主要区别

1．2．2 低温冷凝实验研究综述

1．2．3 低温冷凝实验结果讨论

1．3 低温下的可视化实验研究

1．3．1 可视化研究的必要性

1．3．2 可视化的常见方式

1．3．3 低温系统CCD摄像法的研究进展

1．4 本文主要工作

第2章 冷凝理论与冷凝强化方法

2．1 膜状冷凝的经典Nusselt理论及其发展

2．1．1 经典Nusselt理论及其适用范围

2．1．2 经典Nusselt理论的发展与修正

2．1．3 低温冷凝的修正Nusselt关联式

2．2 冷凝强化方法

2．2．1 强化膜状冷凝

2．2．2 构造滴状冷凝

2．2．2 低温冷凝强化的特点

第3章 低温冷凝可视化实验系统搭建与初步实验

3．1 实验装置

3．1．1 杜瓦内装置结构

3．1．2 冷凝实验段结构

3．1．3 测量系统

3．1．4 可视化系统

3．1．5 绝热系统

3．2 力学校核

3．3 漏热分析

3．3．1 辐射漏热

3．3．2 连接管的导热漏热

3．3．3 残余气体漏热

3．4 低温可视化中的技术问题

3．5 实验步骤

3．5．1 实验准备步骤

3．5．2 实验操作步骤

3．6 实验数据处理

3．7 实验系统不确定度分析

3．8 试验台初步测试运行

3．9 部分实验结果与分析

3．10 本章小结

第4章 氮气竖壁冷凝过程的数值模拟

4．1 CFD软件与多相流模型简介

4．1．1 VOF模型

4．2 基本控制方程

4．3 模型建立与网格划分

4．4 Fluent求解方法与参数设置

4．4．1 VOF模型参数设置

4．5 网格无关性验证

4．6 模拟结果与讨论

4．6．1 流场参数分布

4．6．2 入口质量流量对计算的影响

4．7 本章小结

第5章 总结和展望

5．1 全文总结

5．2 主要创新点

5．3 展望

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢

参考文献