低温液体－水相际传热传质分析与实验研究

摘要

本课题研究低温液体与水直接接触所发生的流动与相际传热传质现象。低温液体与水接触过程中低温液体产生液-气相变，浮升力的突变和气相的可缩性使此问题异常复杂。本文从理论分析上，提出了一些简化性假设以求解这一问题。 本文分析了低温液体与水直接接触所发生的流动与相际传热传质现象。采用波前追踪法来追踪低温液体－水相界面，并估算低温液柱生存距离。在不同的水压下，低温液体与水之间的传热传质特性有所不同。建立了适合水压为常压和超临界压力下的低温液体－水传热模型，根据传热模型进行了数值计算，得出低温液体温度场分布，确定了低温液体-水相界面的生存距离，并对常压下低温液体－水相界面的传质系数进行了分析与估算。直径出口液氮在水压为常压和超临界压力下生存距离分别为和左右，其他计算结果也表明低温液体水下直接释放是可行的。 本文进行了常压液氮水下释放的实验研究，获取并分析释放过程中流型的图像信息和测温数据并对其进行了分析，液氮液柱生存距离的估算值与实验观测值进行了比较，二者能较好地吻合。首次进行了加压液氮与常压水直接接触实验。获取了一些实验现象的图像信息和测温数据并对其进行了分析，此时气液氮混和流的生存距离远大于常压液氮液柱的生存距离。实验结果也说明低温液体水下直接释放是可行的。同时提出了模拟超临界压力实验环境的实验方案，设计了实验台架、设备。 本文的工作验证了低温液体水下直接释放的可行性，为释放装置的设计提供了一定的依据。文中建立的传热模型及传质分析对于今后建立综合考虑了传热传质及流动的复杂模型具有一定的参考价值。