流體中雜質(zhì)低溫凝固過程的介觀數(shù)值方法研究.pdf

1、“冰堵”現(xiàn)象嚴重影響制冷與低溫系統(tǒng)的運行和安全。制冷系統(tǒng)中，若制冷劑中混入了水分，在節(jié)流閥之后由于制冷劑溫度降至0℃以下，會使得制冷劑中的水凝固成冰，從而堵塞節(jié)流閥造成冰堵。低溫液體（如液氫、液氧和液氮等）生產(chǎn)和輸運過程中，雜質(zhì)可能會凝固，在閥門處積聚造成堵塞問題。宏觀尺度的研究對相界面的描述和捕捉有一定的局限性。介觀數(shù)值模擬方法研究可以加深對凝固過程的認識，深入了解冰堵現(xiàn)象發(fā)生的機理。本文通過相場法(Phase Field Metho

2、d，PFM)和格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)對凝固過程進行研究。
　　首先針對流場靜止的情況下，利用相場法模擬出凝固發(fā)生時枝晶生長的過程。從圓形晶核開始不斷長大，由于各相異性的存在，6個主軸枝晶生長而出，隨著凝固的繼續(xù)，主軸上又有二次枝晶生長而出。過冷度越低，枝晶生長越快，凝固速率越快，主軸上的二次枝晶也越細密。利用文獻中的實驗結(jié)果驗證了模擬結(jié)果，兩者具有較好的吻合性。
　　然后

3、，針對運動流場情況下的凝固過程，利用相場法與格子玻爾茲曼方法，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，枝晶呈不對稱生長，迎流側(cè)主軸枝晶與二次枝晶都較為發(fā)達，背流側(cè)的枝晶生長受到抑制，二次枝晶生長不明顯。造成枝晶生長不對稱性的主要原因是運動流場造成迎流側(cè)固液之間溫度梯度較大，持續(xù)過冷，有利于枝晶的生長。背流側(cè)由于流速較低以及上游流體帶來的熱量，導致過冷度較小，枝晶生長受到抑制。最后利用文獻實驗結(jié)果，驗證了模型，發(fā)現(xiàn)具有較好的吻合性。
　　本文提出的相場-格子