本文關(guān)鍵詞：動態(tài)滑閥內(nèi)低沸點流體輸送特性及彎管粘滯汽化數(shù)值模擬

  更多相關(guān)文章： 動態(tài)滑閥 輸送特性 粘滯汽化 低沸點流體 曲率半徑

【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,對管道長距離低沸點流體輸送理論與技術(shù)的發(fā)展提出新的研究方向。本文主要針對管道長距離低沸點流體輸送技術(shù)進(jìn)行研究,主要包括:動態(tài)滑閥內(nèi)部的流場水力特性研究和低沸點流體在彎管計算域內(nèi)的粘滯汽化引起的管道摻汽水流問題。動態(tài)滑閥的內(nèi)部流場特性研究主要是對滑閥啟閉過程的流場內(nèi)部水力特性進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,得到滑閥在不同啟閉開度條件下滑閥內(nèi)部流場的瞬態(tài)壓力和流速結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。彎管的粘滯汽化問題主要是探究低沸點流體流經(jīng)彎管產(chǎn)生的粘滯汽化現(xiàn)象,分析粘滯汽化現(xiàn)象形成機(jī)理以及隨著彎管曲率半徑的變化,彎管及其下游區(qū)域的沿程汽化程度。本文以沸點低、粘滯性高的四氧化二氮流體作為研究對象,采用FLUENT軟件對動態(tài)滑閥的內(nèi)部流場特性以及彎管計算域內(nèi)的粘滯汽化問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究與分析。首先建立了動態(tài)滑閥和不同曲率半徑彎管的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合流體偏微分方程及相應(yīng)的邊界條件分別對Fluent軟件進(jìn)行了二次開發(fā),編寫了動網(wǎng)格模型以及質(zhì)量傳輸模型的UDF程序,為動態(tài)滑閥內(nèi)部流場以及不同曲率半徑彎管的粘滯汽化問題的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)。動態(tài)滑閥內(nèi)部流場水力特性的研究引入了VOF兩相流模型和動網(wǎng)格模型,用以捕捉滑閥啟閉過程中自由面的瞬態(tài)變化位置與規(guī)律,其研究內(nèi)容包括相同進(jìn)液管道入口流量條件和同一滑閥開度條件下,滑閥內(nèi)部流場的壓力特性、流速結(jié)構(gòu)以及兩相流分布特點等問題。彎管的粘滯汽化問題的研究引入了質(zhì)量傳輸模型和湍流模型實現(xiàn)彎管區(qū)域流體碰撞摩擦,形成的氣液兩相間的相互轉(zhuǎn)化。研究內(nèi)容包括彎管的壓力分布、流速分布、兩相流分布規(guī)律以及最優(yōu)彎管曲率半徑的確定等內(nèi)容。通過對以上水力學(xué)問題的數(shù)值模擬分析得到動態(tài)滑閥內(nèi)部水力特性以及彎管粘滯汽化兩相流的分布規(guī)律。具體研究成果如下:(1)相同進(jìn)口流速工況條件,隨著滑閥啟閉開度的不斷增加,出液管道內(nèi)部的液相流量逐漸增大,流場水面線逐漸提高,液相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大,氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小;回流管道的內(nèi)部流場情況則恰恰相反,氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大,液相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小;滑閥開度達(dá)到完全開度狀態(tài),出液管道的內(nèi)部紅色液相將管道基本充滿,回流管道內(nèi)部的水面線將降至所在管道的底邊界上。(2)相同滑閥開度工況條件,隨著進(jìn)液管道入口流速的逐漸增大,出液管道與回流管道內(nèi)部的氣相計算域的面積均逐漸減小,且氣相計算域的長度范圍縮短,液相流體的計算域面積逐漸增大;滑閥位置流體發(fā)生湍流作用,液相區(qū)域出現(xiàn)局部摻汽現(xiàn)象,兩相間水面線的變化幅度較大;回流管道內(nèi)部水面線平穩(wěn)不存在明顯的劇烈波動現(xiàn)象,滑閥處的雍高水面線較明顯。(3)相同的進(jìn)口流速工況條件,混合流體中液相流場壓力值明顯高于氣相流場的壓力值;隨著滑閥啟閉開度的增加,出液管道內(nèi)部液相流場壓力逐漸增大,回流管道內(nèi)部氣相流場逐漸降低,出液管道內(nèi)部氣相流場壓力值逐漸增大,回流管道內(nèi)部氣相壓力值逐漸降低。(4)滑閥所在的水平管道內(nèi)兩側(cè)出現(xiàn)了不同程度范圍的低壓流場區(qū)域;在滑閥開度為一半的位置處,滑閥兩側(cè)管道內(nèi)部的流場低壓區(qū)域的面積基本相等;動邊界滑閥的近壁面區(qū)域出現(xiàn)了局部高壓區(qū);相同的滑閥啟閉開度條件,隨著進(jìn)液管道入口流速的增大,氣相流場的壓力逐漸增大,液相流場的壓力也同時增大,該規(guī)律適用于出液管道與回流管道的內(nèi)部流場計算域。(5)相同的進(jìn)口流速工況條件,隨著滑閥啟閉開度的增加,平直管道內(nèi)部流場的水平流速分布規(guī)律呈現(xiàn)出對稱分布特點。動邊界滑閥啟閉開度為50%,出液管道的流量基本與回流管道流量相等。隨著滑閥啟閉開度的增加,水平管道內(nèi)部的氣相流場的平均流速均增大;出液管道內(nèi)部的液相流場的平均流速逐漸增大,回流管道內(nèi)部液相流場的平均流速逐漸降低。(6)相同滑閥開度工況條件,隨著進(jìn)液管道入口流速的增大,水平管道內(nèi)部液相流場的平均流速逐漸增大,并且水平管道內(nèi)部的氣相流場平均流速也逐漸增加;動邊界滑閥近壁面區(qū)域的平直管道下部出現(xiàn)了一定范圍的水平低速區(qū)域。進(jìn)液管道內(nèi)部橫向斷面流場的流速分布為拋物線分布規(guī)律。(7)水平管道內(nèi)部的豎向流速變化規(guī)律較為明顯的區(qū)域為滑閥壁面附近流場區(qū)域,其余流場位置的豎向流速基本為零。水面線下降導(dǎo)致平直管道兩側(cè)存在一定范圍的反向豎向流速區(qū)域;對于相同的進(jìn)液入口流速條件,隨著滑閥啟閉開度增加,出流管道內(nèi)部氣相流場的豎向流速方向向上,回流管道內(nèi)部氣相流場的豎向流速方向向下,兩者的平均流速值均逐漸增加,出流管道內(nèi)部液相流場的豎向流速逐漸減小,回流管道內(nèi)部液相流場的豎向流速逐漸增加。(8)相同滑閥開度工況條件,隨著進(jìn)液管道入口流速的不斷增加,出液管道內(nèi)部氣相流場的平均流速逐漸增大,且流速方向為豎直向上,回流管道內(nèi)部豎向氣相流場平均流速逐漸降低且方向向下。出液管道和回流管道內(nèi)部流場的液相豎向平均流速均逐漸降低,滑閥近壁面兩側(cè)流場的豎向平均流速變化幅度較大的計算區(qū)域面積逐漸減小。(9)相同的進(jìn)口流速工況條件,滑閥近壁面流場區(qū)域兩側(cè)的最大豎向流速值基本相等,表明滑閥開度的變化沒有出現(xiàn)流速的突變現(xiàn)象,隨著滑閥啟閉開度的增大,滑閥兩側(cè)流場表現(xiàn)出明顯的對稱特征。隨著滑閥啟閉開度的逐漸提高,出液管道內(nèi)部流場的平均流速逐漸增加,回流管道的內(nèi)部流場的平均流速逐漸減小,“全開”或“全閉”兩種動邊界狀態(tài)的流速分布呈現(xiàn)基本一致的對數(shù)分布規(guī)律,動邊界滑閥近壁面區(qū)域出現(xiàn)了紊流工況。(10)相同上游管道入口流速條件,其中上游直管段一般不發(fā)生粘滯汽化現(xiàn)象,但是下游直管段與彎管區(qū)域的末端的粘滯汽化現(xiàn)象較為明顯;隨著管道彎管段的曲率半徑逐漸增大,下游直管道內(nèi)部的氣相流場區(qū)域面積呈現(xiàn)先較小后增大的變化規(guī)律,該區(qū)域摻汽程度先減小后增大。相同管道彎管曲率半徑條件,隨著上游管道入口流速的增大,下游管道的摻汽程度逐漸增強(qiáng),氣相體積增加,液相體積減小。(11)相同的上游管道入口流速條件,隨著90度彎管曲率半徑的不斷增大,整體管道內(nèi)部流場的溫度升高速度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢;整個管道內(nèi)部的溫度變化從管道入口到管道出口溫度逐漸升高,上游直管段溫度升高梯度較小,下游直管段的溫度升高梯度較大;90度彎管內(nèi)部流場分布較為均勻,沒有出現(xiàn)明顯的高速流場區(qū)域,氣相和液相流場區(qū)域的平均速度基本一致。(12)相同彎管曲率半徑條件,隨著上游管道入口流速的增大,下游直管道以及彎管末端的溫度變化梯度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢,彎管區(qū)域的壓降區(qū)域面積呈現(xiàn)先增加后減小,使得彎管下游的整體汽化程度明顯先降低后升高;由于流體在彎管段產(chǎn)生粘滯汽化現(xiàn)象,導(dǎo)致上游直管段的橫斷面流場呈現(xiàn)拋物線型分布規(guī)律,但是下游直管段以及彎管區(qū)域的流場基本呈現(xiàn)對數(shù)分布規(guī)律。(13)相同的上游管道入口流速條件,隨著彎管曲率半徑的增大,彎管區(qū)域的流速逐漸升高。管道內(nèi)部從上游到下游壓強(qiáng)分布呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,且在管道內(nèi)部彎管區(qū)域壓力值最低。同時隨著彎管曲率半徑的逐漸增大,彎管區(qū)域的低壓區(qū)域面積先變大后變小,下游流場沿程粘滯汽化引起的氣相體積也呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律,并且下游直管道的汽化程度沿程逐漸減小。(14)管道內(nèi)部流場上游直管段一般不發(fā)生粘滯汽化現(xiàn)象,汽化程度受到彎管曲率半徑的影響較大。隨著90度彎管曲率半徑的增大,彎管下游管道的汽化體積分布曲線變化規(guī)律的趨勢基本一致,汽化程度呈線性關(guān)系逐漸提高;相同90度彎管曲率半徑條件,隨著上游管道入口流速的提高,管道下游流體的汽化程度呈現(xiàn)減小變化趨勢。通過對彎管粘滯汽化問題的數(shù)值模擬研究得到彎管粘滯汽化程度隨著彎管曲率半徑的逐漸減小,呈現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律,因此,粘滯汽化程度最低的最優(yōu)彎管曲率半徑為0.55m。本文的研究為今后低沸點流體在工程領(lǐng)域的長距離輸送提供了理論依據(jù),具有較高的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。
【關(guān)鍵詞】：動態(tài)滑閥 輸送特性 粘滯汽化 低沸點流體 曲率半徑
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TV134
【目錄】：

• 摘要3-8
• abstract8-19
• 符號說明19-21
• 第一章 緒論21-33
• 1.1 研究背景及意義21-22
• 1.2 管道輸送流體研究進(jìn)展22-25
• 1.3 氣液兩相流研究進(jìn)展25-28
• 1.4 本文的研究內(nèi)容及技術(shù)路線28-33
• 1.4.1 低沸點流體參數(shù)28-29
• 1.4.2 論文的研究內(nèi)容與技術(shù)路線29-33
• 第二章 數(shù)值模擬理論與方法33-51
• 2.1 FLUENT簡介33-36
• 2.1.1 FLUENT軟件特點33-34
• 2.1.2 程序的結(jié)構(gòu)34-35
• 2.1.3 求解問題的步歘35-36
• 2.2 自由水面處理技術(shù)36-39
• 2.2.1 剛蓋假定37
• 2.2.2 高度函數(shù)法37
• 2.2.3 標(biāo)記網(wǎng)格法37-38
• 2.2.4 VOF法38
• 2.2.5 LevelSet38
• 2.2.6 LINK法38-39
• 2.3 網(wǎng)格及網(wǎng)格生成技術(shù)39-40
• 2.4 常用的離散格式40-44
• 2.4.1 中心差分格式40
• 2.4.2 一階迎風(fēng)格式40-41
• 2.4.3 混合格式41-42
• 2.4.4 二階迎風(fēng)格式42
• 2.4.5 QUICK格式42-44
• 2.5 數(shù)值計算方法44-46
• 2.5.1 有限差分法44-45
• 2.5.2 有限單元法45
• 2.5.3 有限體積法45-46
• 2.5.4 邊界單元法46
• 2.5.5 有限分析法46
• 2.6 壓力校正方法46-51
• 2.6.1 SIMPLE算法47-49
• 2.6.2 SIMPLE算法的修正49-50
• 2.6.3 PISO算法50-51
• 第三章 動邊界滑閥內(nèi)部水力特性數(shù)值模擬51-93
• 3.1 基本控制方程51
• 3.2 數(shù)值計算模型51-54
• 3.2.1 多相流模型51-53
• 3.2.2 動網(wǎng)格模型53-54
• 3.3 數(shù)學(xué)模型54-57
• 3.3.1 滑閥結(jié)構(gòu)參數(shù)54-55
• 3.3.2 動態(tài)滑閥模擬數(shù)學(xué)模型55-57
• 3.4 網(wǎng)格劃分57-59
• 3.5 邊界條件59-63
• 3.5.1 入口邊界條件59-62
• 3.5.2 出口邊界條件62
• 3.5.3 固壁邊界條件62-63
• 3.5.4 動壁面邊界條件63
• 3.6 初始條件63-64
• 3.7 求解算法64-65
• 3.8 滑閥動網(wǎng)格65-67
• 3.8.1 動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)定65-66
• 3.8.2 程序設(shè)計思路66
• 3.8.3 編寫計算程序66-67
• 3.9 結(jié)果分析67-82
• 3.9.1 動態(tài)滑閥內(nèi)部流場的氣液兩相流分布規(guī)律67-70
• 3.9.2 動態(tài)滑閥內(nèi)部流場的壓力分布規(guī)律70-73
• 3.9.3 動態(tài)滑閥內(nèi)部流場的橫向流速分布規(guī)律73-76
• 3.9.4 動態(tài)滑閥內(nèi)部流場的豎向流速分布規(guī)律76-79
• 3.9.5 動態(tài)滑閥內(nèi)部流場的滑閥處斷面流速分布規(guī)律79-82
• 3.10試驗驗證82-90
• 3.10.1 試驗裝置82-84
• 3.10.2 試驗方案84
• 3.10.3 測試方案84
• 3.10.4 測試流程84-85
• 3.10.5 數(shù)值模擬與試驗研究對比分析85-90
• 3.11本章小結(jié)90-93
• 第四章 彎管粘滯汽化計算93-143
• 4.1 基本控制方程93
• 4.2 數(shù)值計算模型93-97
• 4.2.1 湍流模型93-94
• 4.2.2 Mixture多相流模型94-95
• 4.2.3 質(zhì)量傳輸模型95-96
• 4.2.4 能量傳輸模型96-97
• 4.3 數(shù)學(xué)模型97-99
• 4.4 網(wǎng)格劃分99-101
• 4.5 邊界條件101-105
• 4.5.1 入口流速邊界條件101-104
• 4.5.2 入口溫度條件104
• 4.5.3 出口邊界條件104
• 4.5.4 固壁邊界104-105
• 4.6 初始條件105-106
• 4.7 求解算法106-107
• 4.8 質(zhì)量傳輸U(kuò)DF107-110
• 4.8.1 自定義函數(shù)類型107-108
• 4.8.2 函數(shù)設(shè)計思路108
• 4.8.3 編寫UDF程序108-110
• 4.9 結(jié)果分析110-133
• 4.9.1 不同曲率半徑彎管內(nèi)部流場的氣液兩相流分布規(guī)律110-114
• 4.9.2 不同曲率半徑彎管內(nèi)部流場的沿程溫度場分布規(guī)律114-118
• 4.9.3 不同曲率半徑彎管內(nèi)部流場的流速分布規(guī)律118-121
• 4.9.4 不同曲率半徑彎管內(nèi)部流場的壓力分布規(guī)律121-125
• 4.9.5 同一曲率半徑彎管內(nèi)部流場的下游管道汽化體積沿程分布規(guī)律125-129
• 4.9.6 不同曲率半徑彎管內(nèi)部流場的下游平均汽化體積計算129-131
• 4.9.7 同一曲率半徑彎管內(nèi)部流場的下游平均汽化體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律131-133
• 4.10 試驗驗證133-141
• 4.10.1 試驗裝置133-134
• 4.10.2 試驗方案134-135
• 4.10.3 測試方案135-136
• 4.10.4 數(shù)值模擬與試驗研究對比分析136-141
• 4.11 本章小結(jié)141-143
• 第五章 結(jié)論與建議143-147
• 5.1 結(jié)論143-145
• 5.1.1 動態(tài)滑閥數(shù)值模擬143-144
• 5.1.2 彎管粘滯汽化數(shù)值模擬144-145
• 5.2 建議145-147
• 參考文獻(xiàn)147-157
• 致謝157-159
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄159-161
• 博士學(xué)位論文獨創(chuàng)性說明161

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：852342