本文研究工作在國家自然科學基金項目“葉輪機械內(nèi)部伴有鹽析的液固兩相流動的研究”(No.50476068)資助下完成。 在現(xiàn)代工業(yè)中,伴有鹽析的液固兩相流普遍存在于制漿造紙、石油化工、采鹵制鹵等行業(yè)中。為了更好地研究葉輪機械內(nèi)部的鹽析過程,掌握鹽析與葉輪機械內(nèi)部流動的關系,為機械的防鹽析設計提供理論依據(jù),將由于鹽析而造成對生產(chǎn)的影響降到最低。本文在前人研究的基礎上,對離心泵內(nèi)部的鹽析兩相流動進行了理論、數(shù)值模擬及實驗研究,進行的主要工作及創(chuàng)新性成果如下: 1、全面分析了鹽析晶體成核的基本類型,認為本文研究的實際工業(yè)生產(chǎn)中鹽析現(xiàn)象,成核的主導機制為非均相成核和二次成核,它們對鹽析過程具有極其重要的影響;闡述了鹽析生長的基本理論,鹽析晶體的生長過程是由擴散與表面反應共同控制的,生長速率也是由兩者共同決定。 2、研究了管道內(nèi)硫酸鈉溶液鹽析過程:提出鹽析延遲時間的概念,研究中發(fā)現(xiàn)當管內(nèi)流速小于1m/s時,延遲時間隨著流速的升高顯著降低,流速高于1m/s后,延遲時間隨著流速的變化將不再明顯;隨著溫度的升高,延遲時間明顯變長;同時研究了環(huán)境溫度、溶液濃度對鹽析層熱阻的影響;通過基礎性實驗研究,區(qū)分鹽析過程的不同階段,以此為基礎建立了管內(nèi)鹽析晶體沉積速率的計算模型,并用此模型預測了管內(nèi)鹽析層熱阻的變化。 3、對離心泵的性能隨著鹽析過程的變化做了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)在鹽析延遲階段離心泵的性能基本保持穩(wěn)定,在鹽析過程的晶體生長階段,由于大量晶體的出現(xiàn),使離心泵的揚程下降,功率增大,效率降低;從晶體顆粒運動方程出發(fā),通過分析得到離心泵葉輪出口晶體顆粒相和液相的速度三角形之間的關系,發(fā)現(xiàn)晶體顆粒的絕對速度圓周分量V_(cu)小于液相的V_(lu),從理論上驗證了泵輸送含有晶體顆粒的溶液時揚程下降。 4、利用雙流體模型建立鹽析兩相積分守恒方程,微分守恒方程,利用體積平均法得出相間質(zhì)量、動量、能量交換率的積分表達式,并運用雷諾時均方法得到兩相湍流控制方程組;考慮鹽析過程中一般伴有化學反應,晶體離散相同時出現(xiàn)成核、長大、聚并、溶解、破碎等多種行為,引入晶體生長動力學中的數(shù)量平衡方程,通過該方程中源項的設置來綜合考慮離散相的多種行為。 5、通過貼體坐標轉換,得到了貼體坐標下的鹽析兩相湍流的通用控制方程;利用FLUENT商用軟件結合用戶自定義函數(shù),引入鹽析顆粒的成核和生長,首次對離心泵全流道內(nèi)的三維鹽析兩相湍流進行了數(shù)值計算,并分析了離心泵全流道內(nèi)鹽析兩相流場隨溫度的變化規(guī)律,初步揭示了離心泵內(nèi)鹽析兩相流動的特性。 6、構建了測試離心泵內(nèi)部鹽析流場實驗臺,設計并制作滿足PIV測試要求的模型泵;編寫了針對鹽析流場特性的圖像處理程序,利用PIV測試了鹽析過程中不同狀態(tài)下的離心泵內(nèi)部流場,主要結論有: (1)在鹽析延遲期內(nèi),溶液中沒有鹽析晶體顆粒,葉輪以及蝸殼內(nèi)的流場均未發(fā)生明顯變化; (2)在延遲期后,系統(tǒng)中出現(xiàn)大量晶體,通過圖像處理獲得了該溫度下鹽析顆粒的粒徑分布在30μm左右,該狀態(tài)下鹽析晶體顆粒的跟隨性較好,對液相的流場影響很小; (3)對比40℃鹽析兩相流場在葉輪內(nèi)不同斷面上的分布,由于葉輪前后蓋板的阻尼作用,從而使前后蓋板附近的液固兩相的相對速度比中間截面的相對速度小些,其中晶體顆粒的相對速度尤其明顯; (4)隨著系統(tǒng)溫度降低至34℃,系統(tǒng)中的顆粒逐漸長大,流道中部區(qū)域的顆粒往葉片壓力面運動的趨勢更加明顯。本文分析認為一方面由于壓力面中部區(qū)域附近的低流速使得顆粒受到周圍液體的剪切力較小,有利于晶體的生長,另一方面由于顆粒密度較大,其所受合力偏向于葉片的壓力面,有利于晶體顆粒向壓力面方向運動。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2008
【中圖分類】：TH311
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 論文的研究背景、目的和意義
    1.2 離心泵內(nèi)部流場的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 離心泵內(nèi)部單相流場的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 離心泵內(nèi)部液固兩相流場的研究現(xiàn)狀
    1.3 鹽析流動的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
        1.3.1 鹽析流動的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.2 葉輪機械內(nèi)部鹽析流動的研究現(xiàn)狀
        1.3.3 葉輪機械鹽析流場研究發(fā)展趨勢
    1.4 離心泵內(nèi)部鹽析兩相流場的實驗研究
        1.4.1 實驗研究方法
        1.4.2 兩相分離方法
    1.5 本文研究的主要內(nèi)容
第二章 鹽析過程基本理論
    2.1 鹽析晶體成核
        2.1.1 成核的基本類型
        2.1.2 均相成核
        2.1.3 非均相成核
        2.1.4 二次成核機理
    2.2 鹽析晶體的生長
        2.2.1 相變驅動力的一般表達式
        2.2.2 溶液中的相變驅動力
        2.2.3 鹽析晶體生長基本理論
        2.2.4 鹽析晶體生長的輸運過程
    2.3 本章小結
第三章 鹽析過程的基礎實驗研究及數(shù)學模型的建立
    3.1 實驗裝置及實驗方法
    3.2 管內(nèi)鹽析流動的研究
        3.2.1 傳熱段鹽析層熱阻測量原理
        3.2.2 鹽析延遲時間
        3.2.3 傳熱模擬段實驗研究
    3.3 鹽析流動模型及鹽析層熱阻的計算
        3.3.1 沉積速率的計算
        3.3.2 鹽析層熱阻的計算
        3.3.3 實驗與計算結果對比
    3.4 鹽析過程對泵性能影響的研究
        3.4.1 實驗結果
        3.4.2 鹽析過程中揚程降低的分析
    3.5 本章小結
第四章 鹽析兩相流模型的建立
    4.1 多相流模型概述
    4.2 鹽析兩相流模型的建立
        4.2.1 積分形式的守恒方程
        4.2.2 瞬時的、局部的相守恒方程
        4.2.3 平均的兩相流方程
        4.2.4 各種本構關系的建立
    4.3 鹽析兩相湍流模型
        4.3.1 連續(xù)相溶液的模擬
        4.3.2 晶體離散相的模擬
        4.3.3 通用微分方程的建立
    4.4 數(shù)量守恒方程
        4.4.1 坐標變量
        4.4.2 數(shù)量平衡方程
        4.4.3 顆粒的生長和溶解
        4.4.4 破碎和聚并引起的顆粒產(chǎn)生和消亡
        4.4.5 由于成核而生成的顆粒
    4.5 本章小結
第五章 離心泵內(nèi)部鹽析流場數(shù)值計算
    5.1 鹽析兩相湍流控制方程的貼體坐標變換
        5.1.1 坐標變換關系
        5.1.2 鹽析控制方程的坐標變換
    5.2 離心泵內(nèi)部的網(wǎng)格生成
        5.2.1 離心泵的基本參數(shù)
        5.2.2 網(wǎng)格生成概述
        5.2.3 貼體計算網(wǎng)格的生成
        5.2.4 非結構網(wǎng)格的生成概述
        5.2.5 離心泵計算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格生成
    5.3 離心泵全流道內(nèi)湍流數(shù)值模擬
        5.3.1 葉輪和蝸殼的耦合
        5.3.2 邊界條件
        5.3.3 計算結果及分析
    5.4 離心泵全流道內(nèi)鹽析兩相流數(shù)值模擬
        5.4.1 基本假設
        5.4.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分
        5.4.3 邊界條件
        5.4.4 計算結果及分析
    5.5 本章小結
第六章 離心泵內(nèi)部鹽析流場的實驗研究
    6.1 PIV測量技術
        6.1.1 PIV測試系統(tǒng)
        6.1.2 測試旋轉流場的附件
        6.1.3 示蹤粒子的選擇
        6.1.4 測量精度分析
    6.2 離心泵內(nèi)部清水流場的PIV測量
        6.2.1 實驗裝置及測量斷面
        6.2.2 PIV測量遵循的準則
        6.2.3 測量步驟
        6.2.4 清水實驗結果
    6.3 鹽析流場的PIV測量方法
        6.3.1 圖像預處理及二值化
        6.3.2 粒子的標記
        6.3.3 粒子的識別
        6.3.4 粒子的區(qū)分
    6.4 離心泵內(nèi)部鹽析流場的測量
        6.4.1 實驗裝置及測量系統(tǒng)
        6.4.2 實驗步驟
        6.4.3 蝸殼內(nèi)流測試結果
        6.4.4 葉輪內(nèi)流測試結果
    6.5 本章小結
第七章 總結與展望
    7.1 研究總結
    7.2 工作展望
參考文獻
作者在攻讀博士學位期間取得的相關科研成果
致謝

【參考文獻】

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本文編號：2838024