液氮溫區(qū)液泛發(fā)生機(jī)理研究.pdf

1、液泛是指氣液兩相逆流過(guò)程中，部分液體受氣體作用被攜帶至液體進(jìn)口以上的現(xiàn)象。液泛現(xiàn)象廣泛發(fā)生于重力熱管、緊湊式換熱器、規(guī)整填料塔等工業(yè)設(shè)備中，不僅破壞正常流動(dòng)，而且還往往伴隨壓降陡升現(xiàn)象，因此對(duì)設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。由于液泛發(fā)生過(guò)程界面波發(fā)展及氣液相互作用的復(fù)雜性，現(xiàn)有的理論尚不能準(zhǔn)確描述這一發(fā)展過(guò)程。液泛也是限制低溫規(guī)整填料精餾空氣處理量的主要因素，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低溫空氣分離的主要障礙之一。由于液氮、液氧等低溫流體與常規(guī)流體相比物性差別

2、巨大，低溫液泛機(jī)理愈加復(fù)雜，常規(guī)采用的室溫流體液泛實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式在低溫下的適用性、準(zhǔn)確性急待驗(yàn)證。本文以完善液泛形成理論模型和探索液氮溫區(qū)流體液泛機(jī)理為目標(biāo)，主要展開了以下四個(gè)方面的研究工作:
　　1、提出了用于規(guī)整填料塔內(nèi)氣液兩相CFD模擬計(jì)算的三維幾何結(jié)構(gòu)，闡明了液泛發(fā)生前兩相流在規(guī)整填料結(jié)構(gòu)中的發(fā)展及特點(diǎn)。
　　計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展為精餾設(shè)備效率的進(jìn)一步提高提供了更有效的計(jì)算方法。當(dāng)前，描述規(guī)整填料內(nèi)兩相流特性的常用方法

3、為基于流體體積數(shù)學(xué)構(gòu)架(VOF)的二維幾何模型，不能反映氣液相的實(shí)際流動(dòng)情況;而現(xiàn)有的三維模型幾何復(fù)雜度高，同時(shí)計(jì)算機(jī)資源的要求高，難以滿足實(shí)際需要。本文利用鏡像處理方式，提出由三角通道組成的三維模型，大大減少了網(wǎng)格數(shù)。本文計(jì)算分析了潤(rùn)濕面積、出口處液相流量波動(dòng)、液膜厚度的空間變化以及壓降情況。計(jì)算結(jié)果均與其他研究者的實(shí)驗(yàn)觀察相符合，從而對(duì)液泛發(fā)生前的兩相流動(dòng)特性和影響因素有了定量的認(rèn)識(shí)，為液泛形成的進(jìn)一步理論分析做好準(zhǔn)備。
　　

4、2、建立了豎直圓管中液泛形成過(guò)程三維數(shù)學(xué)模型，揭示了界面波不穩(wěn)定性與環(huán)向傳播，以及兩相流速、物性和通道直徑的內(nèi)在聯(lián)系。
　　線性穩(wěn)定性理論已廣泛應(yīng)用于界面不穩(wěn)定的預(yù)測(cè)。對(duì)于豎直圓管內(nèi)液泛發(fā)生的理論預(yù)測(cè)，現(xiàn)有基于線性穩(wěn)定性理論的計(jì)算均采用界面波軸對(duì)稱假設(shè)，其預(yù)測(cè)結(jié)果低于實(shí)驗(yàn)值。事實(shí)上，由于擾動(dòng)的非對(duì)稱性，這一假設(shè)往往并不適用，而環(huán)向波動(dòng)對(duì)界面的穩(wěn)定性具有重要影響。本文基于線性穩(wěn)定性理論，引入了環(huán)向波數(shù)，建立了相應(yīng)的環(huán)向質(zhì)量和動(dòng)量守恒

5、方程，理論求解了豎直圓管中的三維界面波不穩(wěn)定機(jī)理，揭示了界面波不穩(wěn)定性與兩相流速、物性及通道直徑的內(nèi)在聯(lián)系。計(jì)算結(jié)果表明，環(huán)向波動(dòng)有利于遏制液泛發(fā)生，三維模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　3、建立了傾斜圓管內(nèi)液泛形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，揭示了大傾角圓管中液泛氣速與管徑、傾斜角度及工質(zhì)物性的內(nèi)在聯(lián)系。
　　傾斜通道是實(shí)際工業(yè)設(shè)備中最常見(jiàn)的傳輸管路形式，目前用于分析傾斜通道內(nèi)液泛情況的模型要么是為一維模型，要么未考慮通道內(nèi)的有限

6、壁面邊界條件，僅適用于水平或接近水平通道的液泛預(yù)測(cè)。本文根據(jù)傾斜圓管內(nèi)液膜流動(dòng)特點(diǎn)及液膜厚度與液泛臨界波長(zhǎng)間的關(guān)系，將圓管內(nèi)分層流動(dòng)的三維波進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，利用線性穩(wěn)定性理論，建立了適用于計(jì)算大角度傾斜圓管內(nèi)液泛發(fā)生臨界條件的數(shù)學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明，該模型與已公開文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，同時(shí)充分考慮了圓管結(jié)構(gòu)及工質(zhì)物性特點(diǎn)，尤其是低溫流體的特殊性質(zhì)對(duì)液泛發(fā)生的影響。本文提出了以氣液相密度比(RHO)作為初步判斷液泛氣速值的量度，在計(jì)算中

7、發(fā)現(xiàn)低溫流體的液泛氣速遠(yuǎn)低于室溫流體，并證明了RHO量度的合理性。
　　4、以空氣-水以及液氮-飽和氮蒸汽為工質(zhì)進(jìn)行了傾斜圓管內(nèi)液泛的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了本文數(shù)學(xué)模型對(duì)不同溫區(qū)流體的適用性及準(zhǔn)確性。
　　現(xiàn)有的液泛實(shí)驗(yàn)研究幾乎均以室溫流體為工質(zhì)。工質(zhì)物性不同將導(dǎo)致液泛發(fā)生機(jī)理的不同，然而公開報(bào)道的低溫流體液泛實(shí)驗(yàn)研究非常稀少。本文設(shè)計(jì)搭建了傾斜圓管內(nèi)液泛可視化實(shí)驗(yàn)裝置，分別采用常溫工質(zhì)空氣-水以及低溫工質(zhì)液氮-飽和氮蒸汽進(jìn)行了對(duì)

8、比實(shí)驗(yàn)研究。將低溫工質(zhì)的液泛情況與常溫工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)室溫流體（水/空氣）液泛發(fā)生的特征是管內(nèi)“柱塞”流，且液泛發(fā)生時(shí)界面波基本保持完整波形。而液氮流體發(fā)生液泛時(shí)，由于氣液密度比遠(yuǎn)大于室溫流體，同時(shí)液體粘度極小，使得氣體慣性力較大從而能夠擊碎界面波，形成特有的霧狀流動(dòng)，令通道內(nèi)的壓降小于室溫流體。實(shí)驗(yàn)測(cè)得低溫流體的極小液泛氣速與理論計(jì)算結(jié)論相符。本文討論了現(xiàn)有典型液泛預(yù)測(cè)公式在低溫流體情況下的適用性后，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的數(shù)學(xué)模型能