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同轴喷管自由射流中的异质凝结特性

中国科学：物理学、力学、天文学 2022年第6期52卷 77-91页

作者：曾培高姜毅杨哩娜北京理工大学宇航学院北京100081

尾迹云广泛出现在空中交通工具活动中,为了描述尾迹云的形状、数密度以及尺寸分布等特性,以同轴喷管为研究对象,采用了基于求积矩方法的欧拉-欧拉法以及k-ωSST湍流模型对伴随异质凝结过程的同轴喷管自由射流进行数值模拟,分析了尾迹云... 详细信息

尾迹云广泛出现在空中交通工具活动中,为了描述尾迹云的形状、数密度以及尺寸分布等特性,以同轴喷管为研究对象,采用了基于求积矩方法的欧拉-欧拉法以及k-ωSST湍流模型对伴随异质凝结过程的同轴喷管自由射流进行数值模拟,分析了尾迹云的形成机理以及凝结射流流场的流动特性,并获取了尾迹云的特性参数.结果表明,颗粒在湍流扩散作用下,颗粒的数密度在射流主体段与气相组分具有近似的扩散现象;异质凝结过程中颗粒尺度增长剧烈,消耗大量的水蒸气,使得射流中水蒸气组分降低,以及颗粒数密度分布与颗粒相体积分数的分布出现错位现象,但水蒸气绝对含量小,凝结放热最高仅将射流温度提高了0.5 K,对射流发展的影响几乎可以忽略;由于计算域内颗粒体积的增长率远远大于其缩小率,冰晶颗粒不会在计算域内发生明显消逝,而将在远离射流的大气中缓慢消亡;计算域内的尾迹云形状随射流发展先呈圆环状,再呈鸭梨状,最后呈圆锥状,其粒径分布从分散向集中发展,最后呈近似正态分布,粒径主要集中在0.8–2.0μm,该范围的颗粒约占尾迹云内颗粒的83%.

关键词：尾迹云同轴喷管求积矩方法异质凝结自由射流

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基于异质凝结原理环流式旋风多目标优化研究

化学工程 2023年第1期51卷 57-62页

作者：彭小成金平刘佳幸李文斌王斯民西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 中石化(大连)石油化工研究院有限公司辽宁大连116045 中国石油新疆油田分公司实验检测研究院新疆克拉玛依834000 国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司上海200122

针对传统旋风分离器对粒径小于5μm的颗粒分离效率低的问题,提出通过在环流式旋风装置中构建过饱和环境,利用异质凝结原理促进细微颗粒长大的方法。基于Fletcher的经典成核理论,建立气液固数值模型,分析环流旋风分离器中气体和颗粒的流... 详细信息

针对传统旋风分离器对粒径小于5μm的颗粒分离效率低的问题,提出通过在环流式旋风装置中构建过饱和环境,利用异质凝结原理促进细微颗粒长大的方法。基于Fletcher的经典成核理论,建立气液固数值模型,分析环流旋风分离器中气体和颗粒的流动特性以及冷凝生长和聚并过程。结果表明:经过异质凝结生长和聚并后,颗粒在旋风内的平均粒径从1μm增大到3.92μm,分离效率从51.26%提高到88.26%。在此基础上,分析内筒直径、进气管倾斜角度,以及进口气速对环流式旋风装置压降和分离效率的影响,并通过多目标优化算法得到帕累托最优设计点,优化后的分离效率可达97.5%以上,同时压降也减小至1165 Pa以下。

关键词：旋风分离器异质凝结数值模拟聚并优化

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透平级中湿蒸汽均/异质凝结流动的数值方法

清华大学学报（自然科学版） 2012年第7期52卷 973-979页

作者：朱晓峰林智荣袁新清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

从物性计算、对流通量求解、非结构网格局部加密3个方面发展了Euler-Euler框架下湿蒸汽非平衡态均/异质凝结流动的数值方法。在对流通量方面,给出了真实物性下均、异质凝结共存时的Jacobi矩阵、Roe和AUSM+通量。在物性计算方面,提出了基... 详细信息

从物性计算、对流通量求解、非结构网格局部加密3个方面发展了Euler-Euler框架下湿蒸汽非平衡态均/异质凝结流动的数值方法。在对流通量方面,给出了真实物性下均、异质凝结共存时的Jacobi矩阵、Roe和AUSM+通量。在物性计算方面,提出了基于Taylor级数表(tabular Taylorseries expansion,TTSE)方法的3自由度湿蒸汽物性表,有效平衡了复杂状态方程下精度和计算量之间的矛盾,并在此基础上探讨了两种不同的水珠温度处理方法对模拟精度的影响。针对非平衡态凝结对网格密度较高的要求,开发的非结构有限体积求解器能方便地利用悬挂节点(hanging node)方法对凝结区网格进行局部加密。喷管和透平级均/异质凝结算例表明:该数值方法具有良好的精度和鲁棒性,能较好地反映均异质凝结的流动特点。

关键词：异质凝结真实气体三维Taylor级数表(tabular Taylor series expansion,TTSE)水蒸气表 Roe 悬挂节点

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300MW汽轮机内异质均质凝结的实验研究

中国电机工程学报 2009年第29期29卷 1-6页

作者：牛凤仙蔡小舒宋延勇宁廷保吴广臣徐则林岑岺山郭养富张瑾李岗上海理工大学动力工程学院上海市杨浦区200093 国电科环节能中心北京市海淀区100070 漳山发电有限公司山西省长治市046021

为减少湿蒸汽损失,汽轮机低压缸设计中需要知道湿蒸汽的水滴参数。水滴参数与凝结过程紧密相连,但目前已有的凝结理论模型和实验室中的喷嘴实验结果不能直接应用于真实的汽轮机中。简单介绍了汽轮机低压缸内湿蒸汽的凝结机制和新研制的... 详细信息

为减少湿蒸汽损失,汽轮机低压缸设计中需要知道湿蒸汽的水滴参数。水滴参数与凝结过程紧密相连,但目前已有的凝结理论模型和实验室中的喷嘴实验结果不能直接应用于真实的汽轮机中。简单介绍了汽轮机低压缸内湿蒸汽的凝结机制和新研制的改进型湿蒸汽测量系统的工作原理。基于实测变背压过程中直接空冷机组低压汽轮机末级后的蒸汽湿度参数并结合凝结机制,分析变背压过程中蒸汽湿度参数的变化规律及原因,证实了汽轮机中存在异质凝结现象以及凝结从异质为主向均质为主转变的过程。

关键词：汽轮机湿蒸汽异质凝结均质凝结测量

基于分子运动学的水汽在细颗粒表面异质核化的数值模拟

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化工学报 2020年第7期71卷 3071-3079页

作者：余廷芳高巨熊桂龙李水清姚强南昌大学机电工程学院江西南昌330031 南昌大学资源环境与化工学院江西南昌330031 清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

为研究过饱和水汽在细颗粒表面异质核化特性,准确预测成核参数,基于分子运动学异质核化理论建立了过饱和水汽在燃煤细颗粒表面异质核化的运动学模型。数值分析了液滴晶核长大过程中水汽分子和水分子两种扩散凝结机制对晶核长大的促进作... 详细信息

为研究过饱和水汽在细颗粒表面异质核化特性,准确预测成核参数,基于分子运动学异质核化理论建立了过饱和水汽在燃煤细颗粒表面异质核化的运动学模型。数值分析了液滴晶核长大过程中水汽分子和水分子两种扩散凝结机制对晶核长大的促进作用及其相对重要性,数值预测了水汽过饱和度和宏观接触角对成核速率的影响;数值计算了不同温度和宏观接触角下细颗粒的临界过饱和度。结果表明:当液滴晶核尺寸小于临界晶核半径时,颗粒表面吸附水分子扩散凝结速率与水蒸气分子直接扩散凝结速率的比值大于100,颗粒表面吸附水分子的扩散凝结机制对晶核长大起主导作用。提高水汽过饱和度或减小宏观接触角均可显著提高液滴晶核的成核速率;成核速率随水汽过饱和度增大呈指数型增长。提高气相主体中水汽温度或减小细颗粒物的宏观接触角均可显著降低异质成核的临界过饱和度;对于粒径小于0.1μm的细颗粒物,随着细颗粒粒径的增大,异质核化的临界过饱和度显著减小。

关键词：细颗粒物水汽异质凝结核化数值模拟

湍流团聚室内涡发生器夹角对颗粒物团聚效果以及水汽条件对颗粒增长的影响研究

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湍流团聚室内涡发生器夹角对颗粒物团聚效果以及水汽条件对颗粒增...

作者：丁文浩兰州大学

学位级别：硕士

空气污染物对人类的健康危害大,其中颗粒物由于会造成雾霾并导致人体呼吸及血液循环等系统的损害,而受到人们的高度重视。当前控制颗粒物排放的技术手段很多,但传统除尘设备对颗粒物的控制效果有限,而复合除尘技术改造复杂,且造价较高,... 详细信息

空气污染物对人类的健康危害大,其中颗粒物由于会造成雾霾并导致人体呼吸及血液循环等系统的损害,而受到人们的高度重视。当前控制颗粒物排放的技术手段很多,但传统除尘设备对颗粒物的控制效果有限,而复合除尘技术改造复杂,且造价较高,难以大规模推广运用。为提高颗粒物去除效率,在使用除尘设备去除颗粒物之前可对颗粒物进行预处理,以增大颗粒物粒径,降低去除难度。在多种预处理方法中,由于处理颗粒物效果好且易于应用,湍流团聚和异质凝结已得到广泛研究。目前对于湍流团聚的研究多为采用数值模拟方法,通过改变团聚室中涡发生器几何形状以及排列设置以提高颗粒团聚效果。但相关实验研究较少,且涡发生器夹角作为在其他领域广泛研究的参数,在颗粒物去除领域的研究较为缺乏,并且有关湍流团聚和异质凝结结合对颗粒物进行预处理的研究也较少,有待进一步研究。因此本文采用实验测量与数值模拟相结合的方法,对改变“V”型涡发生器夹角影响颗粒湍流团聚效果及水汽强化颗粒长大效果展开研究,主要内容如下:为了探究不同夹角涡发生器对颗粒湍流团聚效果的影响,在第一部分中,使用粒子图像测速仪（PIV）测量了团聚室中流场特征数据,使用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）测量了颗粒物粒径及浓度变化数据,并结合数值模拟计算所得流场和颗粒行为数据,探究了改变涡发生器夹角影响颗粒物粒径变化的机理。研究发现:（1）当涡发生器夹角为160°时,颗粒物粒径增长效果最好,平均粒径从6.13μm增长到10.44μm,颗粒浓度从4.6×10～3个/cm下降到1.6×10～3个/cm;（2）涡发生器夹角增大,则涡发生器后部的低速区和负压范围增大,回流剧烈程度上升;（3）涡发生器夹角增大,则颗粒受到涡的挤压程度上升,局部富集效应更为明显,且颗粒间平均相对速度上升,这反映颗粒运动轨迹交叉更为剧烈,有利于颗粒间的碰撞团聚。为了进一步获得更好的颗粒物生长效果,第二部分在团聚室内设置过饱和水汽环境,采用数值模拟的研究方式,将湍流团聚与异质凝结结合,对水汽强化颗粒物长大的效果展开探究,并尝试从能耗角度对涡发生器促进颗粒长大的效果进行了分析。研究发现:（1）流场内水汽相对湿度上升,则可用于异质凝结的水汽量增加,这有利于颗粒物的生长,当入口相对湿度为130%时,出口处颗粒平均粒径从2μm增长到了6.183μm;（2）改变涡发生器夹角对流场中相对湿度分布改变不大,但对颗粒停留时间影响较大,夹角增大,则颗粒平均停留时间延长,在流场中的生长时间更长,颗粒粒径增长幅度更大;（3）涡发生器夹角增大在提高颗粒生长效果的同时也会增加能耗,其中夹角从130°增大至160°时能耗增幅最大。

关键词：涡发生器夹角湍流团聚异质凝结颗粒物预处理

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节流阀中己烷凝结流动数值模拟

化工学报 2011年第9期62卷 2447-2454页

作者：吕孝飞常春白博峰西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049

建立了自发凝结和异质凝结流动统一的数值模型,研究了存在外界凝结核心时天然气中己烷蒸气的节流凝结性质,并对初始颗粒半径、初始颗粒浓度、背压比和总温等因素对己烷凝结性质的影响进行了分析。计算结果表明,己烷在节流后很短距离内凝... 详细信息

建立了自发凝结和异质凝结流动统一的数值模型,研究了存在外界凝结核心时天然气中己烷蒸气的节流凝结性质,并对初始颗粒半径、初始颗粒浓度、背压比和总温等因素对己烷凝结性质的影响进行了分析。计算结果表明,己烷在节流后很短距离内凝结,凝结时间很短;己烷自发凝结的极限过饱和度很高;外界核心引起的异质凝结比较显著时会抑制自发凝结,使自发凝结量减小;初始颗粒半径和浓度越大,自发凝结量越小;背压比和总温增加时,凝结总量和自发凝结比重都减小。

关键词：己烷节流自发凝结异质凝结

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正戊烷节流凝结规律研究

机械工程学报 2011年第16期47卷 133-138页

作者：吕孝飞常春白博峰西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

节流分离法是天然气脱水脱烃处理中常用的技术,了解天然气节流过程中的凝结规律有非常重要的意义。研究天然气凝析液中含量较多的正戊烷组分的凝结规律,基于正戊烷的凝结特点建立自发凝结和异质凝结流动统一的数值模型,对正戊烷气体在... 详细信息

节流分离法是天然气脱水脱烃处理中常用的技术,了解天然气节流过程中的凝结规律有非常重要的意义。研究天然气凝析液中含量较多的正戊烷组分的凝结规律,基于正戊烷的凝结特点建立自发凝结和异质凝结流动统一的数值模型,对正戊烷气体在节流阀内的节流凝结过程进行数值模拟。数值计算结果表明节流时不足以达到正戊烷自发凝结的临界过饱和度,节流阀内只发生异质凝结。正戊烷在节流孔入口即凝结,凝结时间很短,在节流孔内凝结基本完成。研究发现异质凝结时外界核心的初始颗粒半径,初始颗粒浓度和背压比等因素对凝结性质有很大影响。初始颗粒半径和浓度增加时,液滴生长速度减缓,但节流孔出口的凝结液滴质量增大。背压比增加使凝结液滴的生长速率,液滴尺寸和和凝结质量同时减小。

关键词：节流正戊烷异质凝结

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矩方法及其在水凝结研究中的应用与发展

空气动力学学报 2019年第2期37卷 169-185页

作者：罗喜胜曹赟秦丰华中国科学技术大学近代力学系合肥230026

矩方法(Method of Moments,MOM),又可以称作内部坐标矩方法,通过求解液滴尺寸分布函数对内部坐标的各阶矩的输运方程,反映粒子数量及尺寸分布的演化。在各种有关伴随凝结流动的数值方法中,矩方法兼顾了计算效率和液滴分布信息,因此被广... 详细信息

矩方法(Method of Moments,MOM),又可以称作内部坐标矩方法,通过求解液滴尺寸分布函数对内部坐标的各阶矩的输运方程,反映粒子数量及尺寸分布的演化。在各种有关伴随凝结流动的数值方法中,矩方法兼顾了计算效率和液滴分布信息,因此被广泛应用于水凝结的研究。本文首先介绍了经典矩方法,综述了矩方法的最新发展。然后应用经典凝结矩方法,研究了伴随同质凝结的Prandtl-Meyer膨胀流动问题,计算发现随着来流水蒸气饱和度的提高,凝结诱导的激波由定常状态向非定常状态转变,出现自激振荡现象;进一步,将经典凝结矩方法推广到异质凝结领域。通过引入"瞬间活化"假设,简化了异质成核模型,将此方法应用到伴随异质凝结的激波管问题中,进行了参数研究,加深了对异质凝结和流动相互作用的认识;最后针对经典矩方法无法处理相间相互作用的问题,将经典矩方法中的矩方程改写为基于液相平均速度的形式,发展了一套考虑相间质量、动量、能量交换的矩方法,应用此方法研究了伴随同质凝结的旋涡运动问题,分析了旋涡中凝结的产生过程,以及凝结与流动相互作用对液相分布的影响,计算结果显示了凝结生成的液滴在离心力作用下离开旋涡中心的现象。

关键词：相变水蒸气经典矩方法异质凝结瞬间活化相间滑移