高速旋轉氣液兩相流阻力與壓力降研究與分析【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　高速旋轉氣液兩相流阻力與壓力降研究與分析</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 化學

2、工程與工藝 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b>&

3、lt;/p><p>　　本課題研究換熱管內(nèi)高速旋轉的氣液兩相流流動阻力與壓力降變化規(guī)律。通過實驗測定了空管氣速與壓降之間的關系，以及氣液兩相流流速與壓降之間的關系曲線，并且比較了螺紋換熱管與光滑直管中流速與壓降之間的變化關系。實驗結果表明，純氣體在兩種管中的壓力降沿管路呈線性變化關系，關系式為: y = 0.6629x - 0.0387，氣體流量與氣體壓力之間的關系也呈線性關系，關系式為：y = 520x + 10。

4、在相同氣體壓降下，氣液兩相流中氣體流速約比空管氣速降低約64%。在液體流速比較低的前提下，隨著氣體壓降的增加，氣體流速與氣體壓力之間也是線性關系，在液體流量為1L/min下，關系式為:y=270x-29,而在液體流量達到2L/min時，氣體流速與壓力之間則不存在明顯的規(guī)律，先是隨著壓力的增加而明顯增加，后則是趨于穩(wěn)定。在壓力一定的前提下，液體流量與氣體流速之間的關系也是有規(guī)律可尋的。在0.3Mpa下，液體流量與氣體流量之間的關系式可以認

5、為是：y = -25x + 75.833，而在0.6Mpa下，關系式則變?yōu)椋簓 = -40x + 173.33，這說明氣體的壓力對于本實驗的影響是非常大的。從氣膜和</p><p>　　[關鍵詞]：氣液兩相旋轉流；阻力；壓力降;氣膜；液膜</p><p>　　High-speed rotating two-phase flow and pressure drop of the resist

6、ance and Analysis</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Tubes of this research phase flow within the high-speed rotation of the flow resistance and pressure drop were studied. Determined

7、 through experiments gas velocity and pressure drop in air traffic control relationship between the phase flow velocity and pressure drop, and the relationship between the curves, and compared with the smooth and straigh

8、t thread Tube Header Pipe between velocity and pressure drop Changes in relationships. The results show that the pure gas in one tube to the pressure </p><p>　　Key words: rotating gas-liquid two-phase flow;

9、resistance; pressure drop; gas film;liquid film</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　中文摘要 ……………………………………………………………………………Ⅰ</p><p>　　英文摘要 …………………………………………………………………………Ⅱ</p>

10、<p>　　1. 前言 ………………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 海水淡化的意義及現(xiàn)狀 ……………………………………………………1</p><p>　　1.2 氣液兩相流的概況 …………………………………………………………2</p><p>　　1.2.1 氣液兩相流的定義 ……………………………………

11、………………2</p><p>　　1.2.2 氣液兩相流的作用 ………………………………………………………2</p><p>　　1.2.3 氣液兩相流的一般參數(shù) …………………………………………………2</p><p>　　1.3 旋轉氣液的研究 ……………………………………………………………3</p><p>　　1.3.1 流型的研究

12、 ………………………………………………………………3</p><p>　　1.3.2 目前的流型 ………………………………………………………………4</p><p>　　1.3.3 目前工業(yè)上的現(xiàn)狀 ………………………………………………………4</p><p>　　1.4 本實驗的研究 ………………………………………………………………4</p>&l

13、t;p>　　2. 實驗部分 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2.1 實驗的裝置與設備 …………………………………………………………5</p><p>　　2.2 第一次純氣體實驗 …………………………………………………………6</p><p>　　2.3 第二次純氣體實驗 …………………………………………………

14、………6</p><p>　　2.4 第一次氣液混合實驗 ………………………………………………………7</p><p>　　2.5 第二次氣液混合實驗 ………………………………………………………7</p><p>　　2.6 氣膜液膜實驗 ………………………………………………………………8</p><p>　　3. 數(shù)據(jù)處理與分析 …………

15、……………………………………………………8</p><p>　　3.1 第一次純氣體實驗 …………………………………………………………8</p><p>　　3.2 第二次純氣體實驗 …………………………………………………………10</p><p>　　3.3第一次氣液混合實驗 ………………………………………………………11</p><p>

16、　　3.4 第二次氣液混合實驗 ………………………………………………………17</p><p>　　3.5 氣膜液膜的計算 ……………………………………………………………18</p><p>　　3.5.1 氣膜的計算 ……………………………………………………………18</p><p>　　3.5.2 液膜的計算 ……………………………………………………………18&

17、lt;/p><p>　　4. 實驗小結 ………………………………………………………………………20</p><p>　　4.1 純氣體實驗小結 ……………………………………………………………20</p><p>　　4.2 氣液混合實驗小結 …………………………………………………………20</p><p>　　4.3 氣膜液膜計算的小結 ………

18、………………………………………………20</p><p>　　結論 …………………………………………………………………………………21</p><p>　　致謝 ………………………………………………………………………………22</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………23</p><p>&l

19、t;b>　　1. 前言</b></p><p>　　1.1海水淡化的意義及現(xiàn)狀</p><p>　　水是生命之源，所有的社會都依賴于水。但是隨著科技的不斷進步，我們的水資源卻在不斷的被破壞。水污染是全球淡水資源面臨的一大威脅。清潔、充足的水是極其寶貴的。如果沒有清潔、充足的水，我們就無法生存。而我們卻把水源地當成垃圾場,人類每天向湖泊、河流和海洋傾倒數(shù)不清的化學藥品、金屬

20、廢料和有機污染物等等。隨著人類的不斷破壞和污染，現(xiàn)在我們可以利用的水資源比較少。而我們的需求卻在不斷的增加[1]。</p><p>　　目前,世界上最緊張的是水資源,對它的作用已經(jīng)影響到了國家的安全。淡水資源既存在數(shù)量問題，同時還涉及到水的質(zhì)量問題以及水生態(tài)系統(tǒng)的失調(diào)問題。目前全球正面臨著嚴峻的水危機，直接危及到人類的生存和發(fā)展。最新的報告顯示，到2025年，全球有一半人口將面臨淡水資源的嚴重缺乏[2]。因此世界

21、水事委員會提醒大家：“此時此刻，我們正面臨著世界水資源短缺的危機，而且這種危機只會越來越嚴重。如果解決不了水源短缺的問題，結果將是糧食價格上升，缺水的國家不得不用昂貴的價格進口糧食，然而缺水的國家大多貧窮落后?！别囸I和干渴也與政治動蕩和經(jīng)濟增長緩慢緊密相關[3]。</p><p>　　正式在如此的形式下，海水淡化的技術越來越受到了各個國家的重視。因為海水淡化能夠很好的解決水資源短缺的問題。早在1950年，美國政府

22、建立了一個鹽水中心來進行淡化技術的研究，并由此分化出海水淡化領域中的重要分支—膜分離技術。早在1960年,美國的加州大學-洛杉磯分校的科學家們開始研究薄膜脫鹽法，并且成功開發(fā)出即可以滲透水，又能阻止鹽分通過的非對稱型醋酸纖維薄膜。據(jù)世界淡水協(xié)會的統(tǒng)計,目前全世界約有133個國家級的海水淡化應用系統(tǒng)，海水淡化的日產(chǎn)量(單位機組日產(chǎn)100噸以上者)可以達到3240萬噸。全世界目前運作的海水淡化廠為13080座，其中美國擁有2563座；阿拉伯

23、國家共擁有1260座；日本擁有369座[4]。</p><p>　　我國是一個淡水資源嚴重匱乏的國家，資源性和水質(zhì)性缺水已成為制約我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。我國的“水”主要存在兩大問題：一是水資源短缺，二則是水污染嚴重。我國人均淡水資源占有量僅為世界平均水平的1／4、在世界上位列110位，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。而且我國的水污染問題極其嚴重，全國的廢污水排放量大，并呈逐年上升趨勢。致使多數(shù)城市地下水資源

24、受到不同程度的污染，不僅降低了水體的使用功能，進一步加劇了水資源短缺的矛盾，且嚴重威脅到城市居民的飲水安全和健康[5]。</p><p>　　我國的海水淡化技術研究開始于1958年，以開始主要研究的是電滲析技術，到了1965年,開始了反滲透技術的研究；直到1975年才研究大中型蒸餾技術；在1981年,西沙的永興島上建成了首座200 t/d（噸每天）的電滲析海水淡化廠；1986年建成的6 000 t/d多級閃蒸海水

25、淡化廠；1994年在大連長?？h建成1 000 t/d海水反滲透淡化廠；1997年在天津大港電廠調(diào)試成功1 200 t/d多級閃蒸海水淡化廠；1997年在浙江嵊山500 t/d反滲透海水淡化廠投入運行；2000年10月，山東長島縣1 000 t/d反滲透海水淡化廠建成投產(chǎn)；2000年底，滄州化學工業(yè)公司1.8萬 t/d高濃度苦咸水淡化廠投產(chǎn)； 到了2002年,天津的海滋食品有限公司從美國引進了多級閃蒸海水淡化技術并對其進行了投產(chǎn)。從中可以

26、看出海水淡化越來越受到我國的重視[6]。</p><p>　　1.2 氣液兩相流的概況</p><p>　　1.2.1氣液兩相流的定義</p><p>　　氣液兩相流是指同時存在氣液兩種物質(zhì)狀態(tài)的流動，即氣體與液體的混合流動。兩相流動現(xiàn)象廣泛存在自然界和工業(yè)技術中。兩相流的流動與工業(yè)生產(chǎn)和人民生活是密切相關的，掌握了兩相流規(guī)律就能使技術設備設計更加合理、運行更加安全

27、，并且在改造自然環(huán)境和提高人民健康生活水平等方面起到了關鍵的作用。在氣液兩相流中，旋轉是常見的現(xiàn)象，當氣液兩相流體一起旋轉時，其之間的阻力則是大家研究的重點，只有在合理的阻力下，使得研究才更加富有意義[7]。</p><p>　　氣液兩相流是多相流學科領域的一個重要分支；是進一步研究氣液兩相流的基礎。氣液兩相流現(xiàn)象廣泛存在于石油化工行業(yè)中的各個領域。氣液兩相流體在管內(nèi)的流動特性區(qū)別于單相流體的流動特性，一個最主要

28、特性就是在流動的各相之間存在比較明顯的分界面，而且分界面的形狀以及各相在流動中的分布情況隨空間和時間的變化而變化，并伴隨有流量、物性、管道幾何尺寸以及幾何位置等因素的改變而呈現(xiàn)不同形式的變化，因此兩相流流動的特性遠比單相流復雜，描述其特性的參數(shù)也比單相流多很多，整個系統(tǒng)也是非平衡的，只在某一特定條件下才是相對穩(wěn)定的，這就給氣液兩相流動的研究帶來很多困難。但是隨著科學技術的發(fā)展，極大促進了人們對氣液兩相流的基本理論和流動規(guī)律的研究[8]，

29、同時在工業(yè)技術的制造商也提出了更高的要求，而且對氣液兩相流流動參數(shù)的檢測提出更高要求。</p><p>　　1.2.2氣液兩相流的應用</p><p>　　氣液兩相流在許多工程中廣泛應用，由于它與動力，核反應堆等工程密切相關，它的研究常與傳熱相結合。而本次課題不僅僅有傳熱的研究，更有傳質(zhì)的研究，而在此之前一個合理的氣液旋轉阻力是大家所研究的重點。因此普通的設備無法滿足這個工藝的要求。在氣液

30、旋轉單元操作過程中, 對氣液旋轉設備的共同要求首先是給傳質(zhì)的氣液兩相流提供良好的接觸機會, 其中包括增大相界面面積和增加湍動程度, 而且需要兩相在接觸后可以有效的分離。同時還要求改設備的結構簡單、設備緊湊、操作便利、運行穩(wěn)定、運轉可靠、運行時間長、能耗小等等[9]?？傊? 是希望能以最小的能耗, 保證傳質(zhì)和傳熱任務的完成。目前人們研究并開發(fā)了各式各樣的旋轉設備，但是并沒有存在一種合理的設備能夠完成我們的實驗項目，因此本次實驗的儀器是經(jīng)過

31、專門的設計，加工而成的。氣液兩相的流動與傳熱是一門只有幾十年發(fā)展歷史的新興學科，氣液兩相混合物在管道內(nèi)的流動普遍存在于各種蒸汽發(fā)生器、反應器和熱交換器等換熱設備中，因此氣液兩相的研究對石油、化工、核電和電力工業(yè)有著特別重要的意義[10]。</p><p>　　1.2.3 氣液兩相流的一般參數(shù)</p><p><b>　　流量和流速參數(shù)</b></p>&

32、lt;p>　　對兩相流體的流量,我們可以用質(zhì)量流量M（kg/s），即單位時間內(nèi)流過管道的物質(zhì)流量,液可以用體積流量Q（ms2/s），即單位時間內(nèi)流過流道的物質(zhì)的體積來表示。對于各相流量的表述可以分別用相質(zhì)量流量Mk、分相體積流量Qk來描述。其中，（k=g，l），g代表氣相，l代表液相。則有</p><p>　　M=Mg+Ml，Q=Qg+Ql （1-1）</p><p>　　本

33、實驗采用不同流量下，對實驗的數(shù)據(jù)進行分析與研究，在不同的流量下，對于其前后流量進行測量與比較，并對其進行分析，比較阻力的大小以及流量的改變所引起的壓力降。</p><p><b>　　流型</b></p><p>　　流型又稱流態(tài)，即流體流動的形式或結構。由于兩相間存在的相界面十分的復雜，從而導致兩相流動的形式也是多種多樣，十分復雜的。流型的改變不僅僅影響著兩相流的特

34、性和它們之間傳質(zhì)、傳熱的性能，而且對兩相流中各種影響參數(shù)的準確測量也是依賴于它的確定。雖然對流型的研究時間已有一定的年限，但流型定義及分類到目前為止尚無統(tǒng)一的定論[11]。</p><p><b>　　密度參數(shù)</b></p><p>　　兩相流動研究中，密度也是一個常用的參數(shù)，根據(jù)研究需要有如下幾種的表示方式。如真實密度代表兩相流場中單位體積的質(zhì)量，而流量密度則表示

35、單位時間內(nèi)流過流道（通過某截面或出口截面）的兩相流體積計算得出的密度，也被稱為混合密度。但是由于本次實驗只對阻力和壓力進行分析研究，因此本次實驗不需要測量密度。</p><p><b>　　雷諾數(shù)</b></p><p>　　表示的是慣性力與粘性力之間比值的無量綱級參數(shù)。在雷諾數(shù)一定得情況下，應該指明一個作為其依據(jù)的特征尺寸（例如管道的直徑或差壓裝置中孔板的直徑或皮托

36、管測量頭的直徑等等）。氣液兩相流體間的兩相雷諾數(shù)的計算公式表示如下：</p><p>　　Rem=dum／Vm （1-2）</p><p>　　式中d表示的是管子外直徑，mm；</p><p>　　um表示的是兩相流體平均流速，m/s;</p><p>　　νm表示的是兩相流體的運動粘度，m2/s.</p><p&g

37、t;<b>　　壓力降</b></p><p>　　壓力以及壓力降是兩相或多相流動中的重要基本參數(shù)之一。兩相或多相流在運動時產(chǎn)生的壓力降與兩相或多相流系統(tǒng)的其它參數(shù)是密切相關的，它的計算與測量可為兩相或多相流的工藝優(yōu)化設計以及相關參數(shù)的測量提供參照依據(jù)。而本次對于壓力降的分析則是直接通過儀器上的表讀取。</p><p>　　除上述參數(shù)之外，溫度、傳熱傳質(zhì)系數(shù)、臨界熱通

38、量以及分散程度在兩相或多相流中的氣泡、液滴、顆粒尺寸和分布等等也是描述兩相或多相流動的一些特征性參數(shù)。</p><p>　　1.3旋轉氣液的研究</p><p>　　1.3.1流型的研究</p><p>　　研究流型是研究氣-液兩相流動中傳質(zhì)和傳熱的基礎。管道內(nèi)流體的流型不同，單位面積界面上兩相面間的質(zhì)量和能量的交換也不一樣，因此勢必會影響氣-液兩相流的宏觀特性，如

39、壓降、空泡份額、滑移比和傳熱系數(shù)等[12]。另外在兩相流數(shù)值計算中，合理地建立界面結構關聯(lián)式，求解其數(shù)學模型，同樣需要可靠的流型知識。在化工生產(chǎn)過程中，存在著大量與流型有關的實際問題急待解決。因此對管道內(nèi)氣-液兩相流動中流型的理解、描繪和預測已經(jīng)成為最為重要的問題之一。但是氣液兩相流的模型是非常復雜的，到目前為止科學界也沒有統(tǒng)一的定論，而在本次實驗當中，由于我們目前還處在研究階段，因此對于其里面的流型還是處于探索階段[13]。</

40、p><p>　　氣液兩相流體在受熱管道中流動時，因壓力、溫度、流量、熱流密度和管道的幾何形狀的不同會形成各種流動結構形式，不同的流動結構形式具有不同的動力學和傳熱特性，因此研究氣液兩相流體流動結構對海水淡化設備的設計與運行是十分重要的[14]。而本次實驗主要研究的是旋轉氣液的阻力以及壓力降，并沒有對傳熱過程進行研究。因此，本次實驗室在常溫下進行的。</p><p>　　1.3.2目前的流型&l

41、t;/p><p>　　常規(guī)情況下的兩相流流型的研究從上個世紀50年代就已經(jīng)開始了，由于兩相流動的多變性和復雜性，為了方便人們對其進行分析并理解兩相流的產(chǎn)生的機理，人們不得不把研究的現(xiàn)狀分解成為一系列的單獨問題并加以逐個研究。譬如通過實驗來模擬工業(yè)管道中,氣液兩相流動的運動狀態(tài)，從而把流動結構類似的歸為一類，因此就有了流型的概念，并且繪制出流型圖，這樣可以為工業(yè)管道中的兩相流形態(tài)提供科學的依據(jù)。并且可以結合流型特征的研

42、究，以及對流動阻力和傳熱特性進行研究等。隨著研究問題的不斷深入以及研究原理的不斷完善，目前在常溫狀態(tài)下,兩相流流型的研究以及取得了很大的成就，并建立了很多完整的流型圖，例如Bake流型圖、Weisman流型圖以及Mandam流型圖[15]。從這些流型圖中可以查出在不同流動參數(shù)下,氣液兩相流之間的流型。流型圖的形成為兩相流的研究提供了根本依據(jù)，而目前這些流型圖正被很多研究者所采用。然而影響兩相流流型的因素太多，現(xiàn)有的流型圖在引用上都有所限

43、制。因此，近些年來全世界的學者開展了一系列在特殊情況下的兩相流流型研究的科研項目，例如國內(nèi)學者陳學俊等人研究的螺旋管的流型;王補宣等人研究的細圓管內(nèi)流體凝結換熱的</p><p>　　1.3.3 目前工業(yè)上的現(xiàn)狀</p><p>　　在工程實際中會遇到很多氣液兩相流動系統(tǒng)在旋轉狀態(tài)下工作的情況。例如，船舶和航空航天器中存在的兩相流動，就是處于旋轉的狀態(tài)下。近年來，國外針對艦船當中的氣液旋轉

44、對于水的影響開展了一些研究工作，但是由于這些研究多是以軍用艦艇為研究對象，公開發(fā)表的資料很少[17]。在確定旋轉狀態(tài)下兩相流系統(tǒng)的流動和傳熱特性時，應該首先知道兩相流的流型，這樣才能合理地選用適當?shù)睦碚摴矫枋隽鲃訝顩r，以便進行系統(tǒng)的阻力計算。由于俠道內(nèi)氣液運動比較激烈，在內(nèi)部作用力的影響會使兩相介質(zhì)產(chǎn)生附加的加速度，這會導致兩相流動界面分布與沒有旋轉的直流情況相比有較大的區(qū)別，從而致使流型發(fā)生了變化。在其他參數(shù)一樣的情況下，不同的兩相

45、流流型可以產(chǎn)生完全不一樣的流動和傳熱效果，對系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響，因而，在旋轉狀態(tài)下兩相流流型的確定和其內(nèi)部阻力以及壓降的分析研究對兩相流系統(tǒng)的流動和傳熱有著重要的意義。但是，目前擁有的流型圖遠遠能涵蓋旋轉這個因素的影響，因此不能依據(jù)現(xiàn)有的流型圖來查出在旋轉情況下的兩相流流型，因此本次完全依據(jù)實驗的情況對其產(chǎn)生的現(xiàn)象進行分析[18]。</p><p><b>　　1.4本實驗的研究</b>

46、</p><p>　　我國的人均淡水資源擁有量僅僅是世界平均水平的1／4，完全屬于貧水國家；而且沿海城市以及島嶼地區(qū)的缺水現(xiàn)象更為突出。解決水資源缺少的方法除了傳統(tǒng)方法上的調(diào)水和蓄水、節(jié)水以及污水回收利用之外，海水淡化技術也越來越受到這些地區(qū)的重視。海水淡化以及海水綜合利用不僅僅是一種適用于海島環(huán)境的淡水技術，更可以有效的利用來緩解我國沿海地區(qū)水資源缺乏的問題。舟山是一個嚴重缺乏淡水資源的海島地區(qū)，由于水資源的嚴

47、重匱乏影響了舟山市經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，因此在舟山市政府的不斷努力下，舟山海島已開始了由地方政府引導的海水利用區(qū)域綜合示范區(qū)的建設[19]。</p><p>　　就目前而言，對于海水淡化目前工業(yè)上采用的主要是多級閃蒸、反滲透、多效蒸發(fā)等。但是這些方法都有自己的缺陷，而且生產(chǎn)的成本相對較高。我們的科研課題也是海水淡化，我們尋找的是一種資源綜合利用的方法，運用合理的技術來解決海水淡化中，成本高，鹽度高等一系列的問題。

48、我們課題研究的重點是怎么樣消耗最少的能源從而帶出更多的海水，從而降低海水淡化的成本。因而建立合理的模型并且加以應用是本次課題成功的前提。在本次科研課題研究中，我們要先對旋轉氣液兩相進行研究，因為一般的氣液之間的傳遞無法滿足本實驗的需求。而在這之前，我們發(fā)現(xiàn)氣液之間的阻力以及壓力降的研究則是研究氣液之間傳質(zhì)與傳熱的關鍵，因此只有先確定好合理的阻力及壓力降的損失才能為后面的實驗打下基礎。</p><p>　　本科研項

49、目主要是對海水淡化的研究，在此之前先是對儀器傳質(zhì)傳熱進行研究，并確定一個合理的模型。而在此研究之前，儀器本身的阻力與壓力降的研究則是為后來的研究奠定基礎。只有找到合理的壓力降才是后續(xù)實驗成功的關鍵，本實驗研究的是在不同壓力與液體流速下儀器自己的壓力降。</p><p><b>　　2. 實驗部分</b></p><p>　　2.1 實驗的裝置與設備</p>

50、<p>　　由于本次實驗是探索性實驗，因此沒有前人的數(shù)據(jù)可以依據(jù)參考，在實驗儀器的設計中，也是采用自主研發(fā)的儀器，實驗裝置的示意圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 實驗裝置圖</p><p>　　1-二氧化碳氣體鋼瓶；2-海水儲槽；3-離心泵；4-液體流量計；5-旋轉螺旋管；6-氣液分離器；7-氣體流量計；換熱管折線為螺紋結構示意圖</p><

51、;p>　　2.2 第一次純氣體實驗</p><p>　　對單相氣體旋渦特性的研究已有100多年的歷史，并已對單相氣體的旋轉模型，旋轉摩擦阻力以及旋轉的壓力降從實驗和理論上進行了較廣泛的研究。而本次實驗有兩個目的:一是驗證儀器的可行性，二是研究在純氣體作用下，儀器的阻力及壓力降。</p><p><b>　　實驗材料</b></p><p>

52、;<b>　　二氧化碳氣體鋼瓶</b></p><p><b>　　實驗經(jīng)過</b></p><p>　　由于實驗裝置本身就做了精密的處理，所以將純的二氧化碳氣體從底部進口通入，就可以確保他們在儀器內(nèi)部進行旋轉運動。調(diào)節(jié)氣體進口的壓力，使其從0.1Mpa調(diào)整到0.6Mpa，并記錄實驗儀表上的壓力變化，同時記錄氣體出口的流量變化。實驗數(shù)據(jù)如表2.1

53、所示：</p><p>　　表2.1 純氣體下壓力與壓力顯示及流量之間的關系</p><p>　　2.3 第二次純氣體實驗</p><p>　　由于上面的模型無法滿足實驗的后續(xù)要求，我們對儀器本身進行了改裝，在儀器的內(nèi)部增加了螺紋，使其變成了螺旋管。在改裝之后，重復上述的實驗步驟，而實驗數(shù)據(jù)如表2.2所示：</p><p>　　表2.2改裝后

54、純氣體下壓力與壓力顯示及流量之間的關系</p><p>　　2.4 第一次氣液混合實驗</p><p>　　對于氣液混合的實驗，目前還沒有公開的資料，因此這次實驗可以說是完全對未知領域的探索，本次實驗完全依照實驗數(shù)據(jù)對實驗中的現(xiàn)象進行分析。</p><p><b>　　實驗儀器</b></p><p><b>

55、　　采用相同的實驗儀器</b></p><p><b>　　實驗材料</b></p><p>　　二氧化碳鋼瓶 濃海水</p><p><b>　　實驗經(jīng)過</b></p><p>　　為了確保氣液之間的高速旋轉，并且能夠使得氣液之間充分的混合，因此這次實驗的最小壓力為0.3Mpa,而

56、流量的最大值為2L/min。在實驗中，先開離心泵，調(diào)節(jié)流量計，流量穩(wěn)定在1l/min，同時打開二氧化碳鋼瓶，壓力控制在0.3Mpa到0.6Mpa之間，并且同時調(diào)節(jié)流量，每次調(diào)節(jié)流量的范圍為0.5L/min，直到2L/min。實驗的數(shù)據(jù)如表2.3所示：</p><p>　　表2.3氣液混合下的壓力與流量之間的關系</p><p>　　2.5 第二次氣液混合實驗</p><

57、p>　　由于上面的模型無法滿足實驗的要求，我們對儀器本身進行了改裝，在改裝之后，并對其進行了相同的實驗，實驗數(shù)據(jù)如表2.4所示：</p><p>　　表2.4改裝后氣液混合下的壓力與流量之間的關系</p><p>　　2.6 氣膜液膜實驗</p><p>　　在儀器開始運行前，在燒杯中注入液體，并標好液位為2800L,開泵，控制液體流量為1.9L/min，等到

58、運行穩(wěn)定，記錄液位，為1900L，此時就可以求得在儀器內(nèi)部積累的淡水量為900L。此時打開二氧化碳鋼瓶，壓力為0.3Mpa，等到儀器內(nèi)部換熱管形成液膜，即運行穩(wěn)定，燒杯內(nèi)液位不變，此時燒杯內(nèi)液位為2300L。即換熱管內(nèi)形成液膜時，換熱管內(nèi)的水的體積為400L。而后調(diào)節(jié)氣體的壓力，從0.3Mpa慢慢調(diào)節(jié)到0.6Mpa，發(fā)現(xiàn)等到系統(tǒng)穩(wěn)定，其燒杯內(nèi)的液體流量還是為2300L。記錄下此時的氣體流量為100L/min。</p>&l

59、t;p>　　3. 數(shù)據(jù)處理及分析</p><p>　　3.1 第一次純氣體實驗</p><p>　　對其進行圖像分析，并畫出其的關系圖，其純氣體的壓力降與壓力的關系如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 純氣體壓力降圖</p><p>　　氣體壓力與流量的關系如圖3.2所示:</p><p>　　圖3.2

60、 氣體壓力與流量的關系圖</p><p><b>　　實驗分析</b></p><p>　　圖3.1的實驗數(shù)據(jù)表明，在這個儀器中，存在著巨大的阻力消耗，從改條數(shù)據(jù)線可以看出，在純氣體作用下，在光滑管中，壓力與壓力降之間可以認為是成線性關系，關系式為：</p><p>　　y = 0.6629x - 0.0387，其中X就是代表氣體壓力，Y則是壓

61、力顯示。這些數(shù)據(jù)也間接的證明了，旋轉上升產(chǎn)生的阻力要遠遠大于氣體直接上升所產(chǎn)生的阻力。在一開始氣體壓力很小的情況下，阻力的消耗占了自身能量的絕大部分，在壓力增加的情況下，阻力消耗在不斷的增加，并且可以得出上述的方程式。但是相比較而言，阻力消耗增加在高壓的情況下則不是很明顯，這從數(shù)據(jù)上就可以分析出來，在0.1Mpa的情況下，阻力消耗占據(jù)了80%，而在0.6Mpa下，阻力消耗只占有了40%。這個現(xiàn)象說明在高壓的情況下更加有利于本次實驗。&l

62、t;/p><p>　　圖3.2的實驗數(shù)據(jù)表明，在氣體流量方面，壓力的增加是會導致氣體流量的增加，而且氣體流量的增加是超級明顯的。就數(shù)據(jù)分析而言，他們之間的數(shù)據(jù)線可以認為是線性方程，關系式為：y = 520x + 10，由于在高壓情況下，氣體超出計流量的限制，并沒有對其的流量進行測定，但是就上述的關系式所得，我們可以推斷出，其后的氣體流量大致為270L/min,和322L/min。也就是說在純氣體的作用下，在光滑管中，

63、氣體的流量是完全可以依據(jù)公式計算得到。</p><p>　　3.2 第二次純氣體實驗</p><p>　　結合表2.2可以看出，在這次改裝之下，對于其壓力降并沒有產(chǎn)生很多的影響，可是說是影響不大，但是氣體流量則是明顯的增加，這大大的加大了儀器當中氣體的通入量。</p><p>　　在改裝后實驗的研究方案中，為了避免氣體流量無法測量的尷尬局面，我們最后采用的是穩(wěn)定流量

64、看氣體壓力變化的情況。我們對這兩次實驗的氣體流量以及氣體的壓力顯示分別做圖比較。其中，氣體壓力與壓力顯示的關系如圖3.3所示，氣體壓力與氣體流量的關系如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3 氣體壓力與壓力顯示之間的關系</p><p>　　圖3.4 氣體壓力與液體流量之間的關系</p><p>　　由于在0.5Mpa和0.6Mpa下，采取了控制氣體流速的辦法

65、，因此在圖中，第二次的數(shù)據(jù)與第一次的有明顯的區(qū)別。可以看出，在流量確定的情況下，隨著氣體壓力的不斷增加，氣體的壓力顯示是明顯增加的。而對于光滑管與螺旋管的比較，在純氣體下，兩者之間的壓力降并沒有顯著的區(qū)別。而在流量上，則是螺旋管的流量明顯的大于光滑管的流量。在控制其氣體流量的情況下，會對高速旋轉的氣體運動產(chǎn)生一定的影響，與沒有控制其流速時想比較，就會發(fā)現(xiàn)，一旦控制了其的氣體流速，管道中的氣體壓力降將明顯的下降，這說明氣體在管道內(nèi)的旋轉運

66、動受到破壞。這個現(xiàn)象也間接的證明，氣體旋轉所產(chǎn)生的阻力以及壓力降要遠遠的大于垂直上升過程中所產(chǎn)生的阻力以及壓力降。</p><p>　　3.3 第一次氣液混合實驗</p><p>　　對第一次氣液混合實驗進行圖像分析，并畫出其的關系圖，在0.3Mpa下液體流量與壓力顯示之間的關系如圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5 0.3Mpa下液體流量與壓力顯示之間的關

67、系</p><p>　　0.3Mpa下液體流量與氣體流量之間的關系如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.60.3Mpa下液體流量與氣體流量之間的關系</p><p><b>　　實驗分析：</b></p><p>　　圖3.5的實驗數(shù)據(jù)表明，在0.3Mpa的氣體壓力下，在儀器中的氣壓降是非常的巨大的，在儀器中的壓力

68、表無法讀取到數(shù)據(jù)，而與只通氣體時的相比較，發(fā)現(xiàn)得到在氣液混合的情況下，高速旋轉運動的阻力要比單單只有氣體時要大的多。</p><p>　　圖3.6的實驗數(shù)據(jù)表明，在0.3Mpa的氣體壓力下,隨著液體流量的增加，氣體的流量是漸漸減小的，但是其也是有規(guī)律可以尋找的，如果把其看成線性關系，則可以得出其的關系式為：y = -25x + 75.833。從實驗數(shù)據(jù)中，分析得知，氣體大量的融入到了濃海水當中，使得濃海水容納二氧

69、化碳的能力趨于飽和，這使得后續(xù)的實驗能夠得到很好的發(fā)展。</p><p>　　在0.6Mpa下液體流量與壓力顯示之間的關系如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 0.6Mpa下液體流量與壓力顯示之間的關系</p><p>　　在0.6Mpa下液體流量與氣體流量之間的關系如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 0.6Mpa下液體

70、流量與氣體流量之間的關系</p><p><b>　　實驗分析:</b></p><p>　　圖3.7的實驗數(shù)據(jù)表明，在壓力足夠大的情況下，儀器自身的內(nèi)部壓力還是可以被測得的。就圖3.7而言，其壓力存在著變化，在液體流量比較小時，其的壓力為0.04Mpa，而當流量一增加以后，則是壓力減小到0.03Mpa，這說明了隨著液體流量的增加，確實有一大部分的氣體融入到了濃海水中

71、，這與上述所說的在流量增加的情況下，有更多的氣體融入液體中是相一致的，與純氣體的實驗數(shù)據(jù)相比較可以發(fā)現(xiàn)，同樣是在0.6Mpa下，兩則測得得壓力則是相差很大，純氣體時為0.36Mpa，而氣液混合時，在1L/min流量的前提下，壓力才為0.04Mpa，這說明，氣液混合做高速旋轉其內(nèi)部的阻力要比單純的氣體做高速旋轉運動時大的多。同時也說明氣液之間的旋轉運動之間的能量與質(zhì)量的交換要遠遠的高于非旋轉運動過程。同時也證明了，在氣液混合旋轉的過程要比

72、單純性的氣液旋轉過程復雜的多，很多的因素都是我們沒有想到過的。</p><p>　　圖3.8的實驗數(shù)據(jù)表明，在壓力增加的情況下，高的液體流速下，氣體流量的減小是明顯顯著的，當流量為1L/min時，其的流量為130L/min，而到2L/min時，則降低為90L/min，期間減少了40L/min。與0.3Mpa壓力下相比較，我們也作出了其的線性關系式，其關系式為：y = -40x + 173.33，而與0.3Mpa清

73、況下相比較，可以發(fā)現(xiàn)其下降的趨勢是完全的增加的，也就是說在高壓情況下，高流速對流量的影響是比較大的。通過數(shù)據(jù)說明，在壓力增加的前提下，在液體中融入的二氧化碳量也會不斷的增加。這也符合氣液之間的基本定論。隨著流量的增加，氣體融入液體的量會顯著的增加。同時隨著壓力的增加，氣體在液體中的溶解也是在不斷的增加的。</p><p>　　液體流量為1L/min下氣體壓力與壓力顯示的關系如圖3.9所示：</p>

74、<p>　　圖3.9 液體流量為1L/min下氣體壓力與壓力顯示的關系</p><p>　　液體流量為1L/min下氣體壓力與氣體流量的關系如圖3.10所示：</p><p>　　圖3.10 液體流量為1L/min下氣體壓力與氣體流量的關系</p><p><b>　　實驗分析：</b></p><p>　　圖

75、3.9的實驗數(shù)據(jù)表明，在流量一定的情況下，隨著氣體壓力的增加，氣液之間的壓力降是逐漸增大的。以圖3.9數(shù)據(jù)中的0.5Mpa和0.6Mpa為對照，在0.5Mpa下，壓力顯示為0.02Mpa，而在0.6Mpa下，壓力顯示數(shù)據(jù)為0.04Mpa，在0.5Mpa下，壓力減小了0.48Mpa，而在0.6Mpa下，壓力降為0.56Mpa，這說明在流量一定的情況下，隨著氣體壓力的增加，其在管道內(nèi)部做高速旋轉氣液運動時的阻力損失是隨著壓力的增加而大大增加

76、的。</p><p>　　與純氣體時的壓力降數(shù)據(jù)相比較，發(fā)現(xiàn)在0.5Mpa下，純氣體的阻力損失只有0.22Mpa，與通氣液下的0.48Mpa相比較，發(fā)現(xiàn)兩者的相差是超級巨大的，而在0.6Mpa下，單純氣體的阻力損失為0.24Mpa，而氣液混合的阻力損失為0.56Mpa，從中可以得出，在高速旋轉阻力測定當中，單單只通氣體的阻力損失要遠遠小于氣液兩相流時的阻力損失，并且這個損失不存在單純的線性關系。這個結論與目前公認

77、的結果是相一致的。</p><p>　　圖3.10的實驗數(shù)據(jù)表明，在液體流量一定的情況下，隨著氣體壓力的增加，氣體的流速也是增加的，而在低流量下，其流動規(guī)律可以認為是線性的，關系式為：y=270x – 29，此關系式的得出，說明了在低流速下，氣體流量完全可以從氣體壓力推導出來，這為后續(xù)的實驗提供了依據(jù)。</p><p>　　液體流量為2L/min下氣體壓力與壓力顯示的關系如圖3.11所示：

78、</p><p>　　圖3.11 液體流量為2L/min下氣體壓力與壓力顯示的關系</p><p>　　液體流量為2L/min下氣體壓力與氣體流量的關系如圖3.12所示：</p><p>　　圖3.12 液體流量為2L/min下氣體壓力與氣體流量的關系</p><p><b>　　實驗分析：</b></p>

79、<p>　　圖3.11的數(shù)據(jù)表明，在液體流量增加的前提下，壓力降與圖3.9相比較并沒有顯著的下降，這也說明，在流量增加的前提下，旋轉產(chǎn)生的阻力與流量之間的聯(lián)系并不怎么敏感。</p><p>　　圖3.12的數(shù)據(jù)表明，在液體流量增加的前提下，流量的變化還是相當?shù)娘@著的。與圖3.10的形狀相比較，我們得出在高液體流量下，氣體的壓力與流量之間不呈現(xiàn)線性關系，隨著流量的增加，當壓力增加時，氣體流量的增加是漸漸

80、減少的。在低壓的情況下，流量增加也是趨于直線型，而在高壓下則是趨于穩(wěn)定的跡象，而在圖3.12中，你可以明顯的發(fā)現(xiàn)，隨著液體流量的增加，氣體流量隨著壓力的增加趨勢是逐漸減小的。并且隨著壓力的增加，氣體流量的增加幅度并不明顯。</p><p>　　3.4 第二次氣液混合實驗</p><p>　　結合表2.4可以看出，實驗儀器改裝之后，發(fā)現(xiàn)在壓力降這方面，并沒有顯著的改變，壓降還是維持在原來的水

81、平，這可以從圖3.13和3.14中比較得到得到：</p><p>　　圖3.13 第一次氣液混合，不同液體流量下氣體壓力與壓力降關系</p><p>　　圖3.14 兩次氣液混合，不同液體流量下氣體壓力與壓力降關系</p><p>　　由于他們是數(shù)據(jù)是一摸一樣的，為了便于區(qū)別，我們對圖做了修改，以方便大家看清。從此圖中可以得出，在氣體壓力降上，光滑管與螺紋管是完全相

82、同的，軌跡是完全一樣的。這說明就單單的螺紋而言，對于其內(nèi)部的壓力降并沒有多大的影響。也就是說明增加螺紋更加有利于后續(xù)的實驗。</p><p>　　但是對于氣體流量而言，則是相差比較大的。這些現(xiàn)象可以從圖3.15中得出：</p><p>　　圖3.15 兩次氣液混合，不同流量下，氣體壓力與氣體流量的關系</p><p>　　在改裝之前，在0.6Mpa下，液體流量為1l

83、/min的情況下，氣體流量為130L/min，而在目前的情況下，流量減小到了100L/min相對來說，這個流量的相差還是非常的大的。這可以說明有更多的二氧化碳被濃海水所吸收。這樣更有利于后續(xù)實驗的進行。而在低壓條件下，正如數(shù)據(jù)中的所說，在0.3Mpa下，氣體流量增加到了60L/min，這比原來的50L/min增加了很多，這說明，在低壓條件下，液體吸收氣體量與原來的裝置相比有所下降，而在高壓情況下，該裝置更加有利于氣液之間的傳質(zhì)與傳熱的進

84、行。這為后續(xù)的實驗做好了準備。3.5 氣液膜的計算</p><p>　　本實驗儀器其的高度為1米，其管徑為0.06米，由于儀器中采用了特殊的處理，因此其再儀器內(nèi)部的當量長度為40米。</p><p>　　3.5.1氣膜的計算</p><p>　　氣體的流量為100L/min，其截面積為12.5cm2（其值是通過內(nèi)部結構計算而得），根據(jù)流速=流量/面積，從而可以算出，

85、氣體流速為133.3m/s,加速度a=V2/R=296148.2m/S2從而可以計算出其的停留時間T=S/V=0.3s.</p><p>　　3.5.2 夜膜的計算</p><p>　　液體的流量為1.9L/min，液膜厚度為2mm（通過儀器的尺寸計算，容納量為400L/min，而其的容積=D兀H=0.188M3），其液膜流速=流量/面積，面積為10mm2（其值是通過內(nèi)部結構計算而得），液

86、膜的流速為3.2m/s，加速度為170 m/s2，其停留時間為12.5s。</p><p><b>　　4. 實驗小結</b></p><p>　　4.1 純氣體的實驗小結</p><p>　　純氣體高速旋轉阻力與壓力降的實驗研究表明，在旋轉管中，流動的阻力要明顯的大于非旋轉的流動管，只有氣體的壓力足夠大時，這個阻力損失在能耗中的比重能夠達到我

87、們所需的理想值。而在氣體流量方面，則是隨著壓力的增加一直增加。但是如果我們采取控制流速的方法則會對其運動的形式產(chǎn)生影響，并且明顯的影響實驗的結果。</p><p>　　這個單純性氣體壓力降的研究與前人的研究具有相似性，這也為我們的實驗儀器得到了論證，說明我們的實驗儀器是符合我們的設計要求，并且能為后續(xù)的實驗做準備。</p><p>　　4.2 氣液混合的實驗小結</p>&l

88、t;p>　　在該實驗的研究下，對于氣液兩相流而言，旋轉壓力降要遠遠大于其垂直上升時的壓力降，本次實驗再次證實了這個結論。而對于氣液兩相流，在該裝置下，隨著壓力的增加，其的氣體流量是顯著增加的，這與我們的認識相符合，而在流量增加的情況下，氣體流量就會有所下降，這說明有更多的氣體融入到了液體當中，這個結論為后續(xù)實驗的開展奠定了基礎。</p><p>　　4.3氣液液膜計算的小結</p><p

89、>　　通過上面氣膜以及液膜的計算，發(fā)現(xiàn)在改裝的儀器中，液膜的厚度隨著氣體的壓力增加，改變不大，這就說明液膜不受氣體壓力的控制。而對于儀器改進的關緊則是在儀器自身的內(nèi)部結構上進行改進。在停留時間上，液膜的停留時間則是遠遠的大于氣膜，這項研究也證實我們后續(xù)要做的是怎么樣來提高液膜的流速。使得后續(xù)的實驗能夠很好的進行。</p><p><b>　　結論</b></p><

90、p>　　本文主要研究的是高速旋轉氣液兩相流的阻力與壓力降的研究與分析，使其能為后續(xù)的海水淡化裝置改良做基礎的準備。本文的研究成果有：</p><p>　　螺旋管的阻力損失要比直管的阻力損失大的多，就單純的氣體而言，隨著壓力的增加，阻力也是不斷的增加。</p><p>　　高速旋轉運動中，氣液兩相的混合阻力損失與單純的氣體相比較，是相差很大的，氣液兩相的混合阻力損失要明顯大于單純氣體的

91、損失，它們之間不純在明顯的關系。</p><p>　　3，高速旋轉運動中，無論是液體流量得增加還是氣體壓力的增加，都會使得阻力損失明顯增加。在壓力一定的前提下，隨著流量的增加，氣體流量是在不斷的減小的，而壓力降則是在不斷的增加。在液體流量一定的前提下，隨著氣體壓力的增加，氣體流量是不斷的增加的，而壓力降也是在不斷增加的。</p><p>　　4，實驗中，液膜的厚度與儀器自身存在很大的關系，

92、置于與氣體壓力的關系則不是非常的明顯。</p><p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1]王宏濤.真空膜蒸餾海水淡化實驗研究[D]. 北京工業(yè)出版社.2008.10-20</p><p>　　[2] 高艷玲 呂炳南 趙立軍等，海水淡化技術評述與成本分析[J]，工程與技術，2005.2. 40-50</p>

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