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二元混合物的气液相变特性研究

二元混合物的气液相变特性研究

作者：余霞中国计量学院

学位级别：硕士

近年来，随着我国经济的蓬勃发展，钢铁、化工、国防、医疗等行业对氧气、氮气等气体的需求量越来越大，以深冷法制氧为主要技术的空分系统逐渐向超大型化、低能耗化转变。空分系统里透平膨胀机中的空气液化过程，精馏塔中的氮氧分离过... 详细信息

近年来，随着我国经济的蓬勃发展，钢铁、化工、国防、医疗等行业对氧气、氮气等气体的需求量越来越大，以深冷法制氧为主要技术的空分系统逐渐向超大型化、低能耗化转变。空分系统里透平膨胀机中的空气液化过程，精馏塔中的氮氧分离过程都涉及到气液相变。气液相变现象在工程领域上广泛存在，在理论研究上也一直是国内外学者研究的热点，但是对于气液相变及界面的微观特征缺少系统分析。本文采用分子动力学方法，从微观角度研究二元混合物的热物理性质、气液相变过程以及气液界面特性。首先，研究了纯质氩的气液热物理性质。考虑计算时间和精度的平衡，确定了计算中截断半径rc=4.5。计算得到的纯质氩的气液密度值、饱和温度压强曲线、临界温度等结果与实验数据符合得很好，验证了程序的正确性。然后，采用该方法研究了氩氪二元混合物的气液相变特性，得到了不同初始浓度和不同温度下氩氪混合物达到平衡时的各种热物理性质，为预测二元及多元混合物的热物性提供了新的方法，同时能够获得实验条件难以测得以及临界情况下的各种热物理性质，丰富了热物性数据库。其次，计算了纯质氩以及氩氪二元混合物的界面特性，阐述了压强张量的切向分量与法向分量，以及表面张力，界面厚度等性质。从计算中发现，温度对界面的影响很大，温度越高，分子热运动动能越大，越容易突破界面处的束缚而进入到气相区域，从而表面张力越小。当到达临界温度时，表面张力为零。温度越高，界面厚度越大，当到达临界温度时，气液两相混合物不再存在气液界面。计算得到混合物的临界温度介于各组分纯质的临界温度之间。最后，探讨了空分精馏过程中氮氧混合物的气液相变过程。针对以往研究中把氮气和氧气简化成单原子分子的不足，采用了双原子模型来模拟氮气和氧气的运动，分析了氮气和氧气的气液相密度、临界温度、饱和压强随温度的变化曲线等，与实验结果符合良好。同时计算了氮氧混合物在不同混合比下的热物性和表面张力等界面性质。

关键词：空气分离分子动力学方法气液相变二元混合物数值模拟

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气液相变的自聚集分析

自然科学进展 2003年第3期13卷 281-286页

作者：王晓东田勇彭晓峰清华大学热能工程系北京100084

应用分子自由程概念给出一种判别体相中活化与非活化分子的判据,基于分子自聚集理论,提出活化分子临界聚集浓度的概念,描述核心形成之前的物理图景。浓度较低时活化分子主要以单体形式存在,达到临界聚集浓度时开始聚集,但只有聚集数小于... 详细信息

应用分子自由程概念给出一种判别体相中活化与非活化分子的判据,基于分子自聚集理论,提出活化分子临界聚集浓度的概念,描述核心形成之前的物理图景。浓度较低时活化分子主要以单体形式存在,达到临界聚集浓度时开始聚集,但只有聚集数小于5的聚集体能够在体相中稳定存在,过剩的活化分子只能无限聚集,形成临界核心,继而产生相分离,在无外界扰动时,临界聚集浓度点对应着气-液相变的过热极限点或过冷极限点。通过定量分析聚集体浓度和聚集数的关系,确定体相处于过热(过冷)极限点时体相与新相之间的界面特性,预测体相与微小新相之间的界面张力γ,对经典理论的形核率作出合理修正。

关键词：气液相变活化分子分子自由程分子自聚集理论临界聚集浓度形核率均相沸腾

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气液相变在盥洗室天花板滴漏分析中的应用

昆明理工大学学报（理工版） 2005年第5期30卷 78-82页

作者：刘传先李宇赤上海第二工业大学理学院上海201209 西双版纳职业技术学院云南景洪666100

通过对盥洗室天花板“不明原因”滴漏现象探究,从气相向液相转变的宏观过程、微观机制,形成液滴的临界半径与蒸气压及环境温度的关系,得出天花板滴漏的真正原因是装在浴室天花板上排气风机与排气管没有直接联通.进而指导人们在装修浴室... 详细信息

通过对盥洗室天花板“不明原因”滴漏现象探究,从气相向液相转变的宏观过程、微观机制,形成液滴的临界半径与蒸气压及环境温度的关系,得出天花板滴漏的真正原因是装在浴室天花板上排气风机与排气管没有直接联通.进而指导人们在装修浴室时,在天花板上方正确装配引气除湿装置.

关键词：滴漏气液相变浴室

两函数ΔH^V/RT_C和ΔZ^V在纯物质气液相变中具有比例性的研究

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镇江高专学报 2004年第3期17卷 55-58页

作者：马德良徐州市广播电视大学校长办公室江苏徐州221006

Clapygron蒸气压方程是根据假设"数组为常数,而与温度无关"推导得来的。为了阐述以上给出的假设的理由,本文提出如下论点:"△HV／RTc和△ZV函数实际上是和温度有关,而它们之间却存在一个简单的比例关系,即△HV/RTc∝△ZV。1997年我们曾... 详细信息

Clapygron蒸气压方程是根据假设"数组为常数,而与温度无关"推导得来的。为了阐述以上给出的假设的理由,本文提出如下论点:"△HV／RTc和△ZV函数实际上是和温度有关,而它们之间却存在一个简单的比例关系,即△HV/RTc∝△ZV。1997年我们曾根据分子聚集理论导出气化热方程,Haggenmacher于1946年曾提出△ZV方程,上述两个方程表明,Clapeyron假设基本上是正确的。另外,本文还基于上述的比例规律导出一些有用的蒸气压方程和气化热方程。

关键词：物理化学纯物质气液相变比例性蒸气压方程气化热方程 Clausius-Clapeyron方程函数

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压力和充满率对低温气瓶蒸发流量影响的研究

低温与超导 2022年第6期50卷 97-102页

作者：谢柳辉朱华强蔡延彬张夏广东省特种设备检测研究院东莞检测院东莞523120

蒸发率是低温气瓶绝热性能的一项重要指标,本文将气瓶做一维传热过程分析,采用二维轴对称的VOF(Volume of Fluent)模型,数值模拟研究了压力和充满率对低温绝热气瓶蒸发状态的影响。结果显示,当气瓶工作压力数倍于大气压力时,压力越高,... 详细信息

蒸发率是低温气瓶绝热性能的一项重要指标,本文将气瓶做一维传热过程分析,采用二维轴对称的VOF(Volume of Fluent)模型,数值模拟研究了压力和充满率对低温绝热气瓶蒸发状态的影响。结果显示,当气瓶工作压力数倍于大气压力时,压力越高,气瓶出口蒸发质量流量越高。在蒸发过程中,气瓶内液相区温度基本保持不变,而气相区温度则出现明显的分层现象。当充满率降低时,由于液体减少,蒸发质量流量随之降低,但仍随着工作压力的升高而增大。

关键词：低温绝热气瓶蒸发流量 VOF模型气液相变

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液相乙烷输送管道放空工况研究

辽宁化工 2024年第1期53卷 92-95,102页

作者：胡鑫怡中国民用航空飞行学院绵阳分院四川绵阳621000

针对乙烷具有较低的临界温度和临界压力,放空过程中易发生相变的问题,建立乙烷管道瞬态放空模型,分析放空过程中管内乙烷参数响应规律。结果表明液相乙烷管道放空经历三个阶段,第一阶段压力迅速下降,液相乙烷进入气液两相区。第二阶段... 详细信息

针对乙烷具有较低的临界温度和临界压力,放空过程中易发生相变的问题,建立乙烷管道瞬态放空模型,分析放空过程中管内乙烷参数响应规律。结果表明液相乙烷管道放空经历三个阶段,第一阶段压力迅速下降,液相乙烷进入气液两相区。第二阶段是气液共存阶段,温度压力沿着相态包络线逐渐下降,管内气相持续增加。第三阶段乙烷由气液两相全部变为气相,温度开始升高。分析了不同放空管径、初始压力、初始温度等因素的影响机制,提出“大管径+稳定时间+小管径”的液相乙烷管道放空方式,为液相乙烷管道放空系统设计提供参考与借鉴。

关键词：液相乙烷放空系统瞬态仿真气液相变

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复合液冷系统中平板热管的均温性能研究

复合液冷系统中平板热管的均温性能研究

作者：郭梦婷重庆大学

学位级别：硕士

电动汽车高速发展的同时,动力电池的热管理系统要求越来越严格。有效的动力电池热管理系统不仅可以将电池温度控制在合适的工作范围,还能使电池模块保持均匀的温度分布,以此延长动力电池的循环寿命和保证电动汽车的续航和安全性能。平... 详细信息

电动汽车高速发展的同时,动力电池的热管理系统要求越来越严格。有效的动力电池热管理系统不仅可以将电池温度控制在合适的工作范围,还能使电池模块保持均匀的温度分布,以此延长动力电池的循环寿命和保证电动汽车的续航和安全性能。平板热管易装配且具有较高的导热能力,工质在其腔室中的输运使得平板热管的散热表面具有更好的均温性和热扩散性,因此研究平板热管对动力电池温度分布均匀性的影响具有重要的工程意义。对于动力电池热管理,针对传统液冷板流道设计复杂、流阻较大的缺点以及三段式热管冷却系统的复杂性,本文提出了一种铝槽式平板热管和直流式液冷板组合而成的复合液冷系统,即在液冷板和动力电池之间嵌入平板热管,利用平板热管的均温性能来改善冷却液沿程温升造成的热源表面温差。相较于传统的三段式热管冷却系统,本文提出的复合式液冷系统结构更加紧凑,液冷流道设计简单,传热和均温性能更好。然而,目前对该复合液冷系统性能及对热源面均温性作用机理尚缺乏系统研究。本文基于复合液冷系统的实际尺寸建立了相应的三维传热模型,采用VOF和Mixture两种多相流模型,研究了平板热管槽道内气液两相热质传输及其与液冷流道的耦合传热特性,并根据实验结果验证了两种数值模拟方法的准确性。VOF瞬态计算和Mixture稳态计算的模拟结果较为一致,加热面和冷却面上的温度分布与实验结果较为吻合。研究结果揭示了平板热管内部气液输运的方向受平板热管加热面温差的影响,腔室中存在逆时针方向的气液输运循环,使平板热管具有优良的换热性能和均温性能。考察了冷却液流量、加热功率和倾角对平板热管传热的影响,对不同工况下的复合液冷系统传热性能进行了数值模拟。结果表明加热面上,温差抑制率随着冷却液流量的减小而增大,在较小流量下,平板热管加热面也能保持较好的温度均匀性;随着加热功率的增加,腔室内部的沸腾强度增大,沸腾-冷凝的强化作用对加热面的温升产生抑制,使加热面保持良好的温度分布均匀性;倾角对加热面温差有明显的影响,对比水平放置时,平板热管负倾角倾斜,加热面温差增大,抑制率减小;而正倾斜时,浮力作用和温差驱动有利于平板热管腔室内的热质传输,温差抑制率明显增大,+20°倾斜角度下平板热管的均温性能最好。

关键词：平板热管数值模拟气液相变均温性

电场强化单组分汽液相变传热的热力学机理及其应用

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电场强化单组分汽液相变传热的热力学机理及其应用

作者：袁嘉成华南理工大学

学位级别：硕士

气液相变在工程上的应用相当之广泛。而就目前而言,气液相变的工程应用主要分为两个方面。第一个是气液相变物质传递方面的应用,如木材的蒸发干燥、烘干等,还有蒸发提纯某些化合物或者药剂,中草药的加工和提纯等等;而第二个应用就是关... 详细信息

气液相变在工程上的应用相当之广泛。而就目前而言,气液相变的工程应用主要分为两个方面。第一个是气液相变物质传递方面的应用,如木材的蒸发干燥、烘干等,还有蒸发提纯某些化合物或者药剂,中草药的加工和提纯等等;而第二个应用就是关于气液相变热量传递方面的应用,比如汽车的空调、汽车以及大型机器的冷却剂的气液相变过程,热管的气液相变换热还有其他的一些温度控制工程中的气液相变过程也是气液相变换热的主要应用实例。基于气液相变的广泛应用背景,目前学界对气液相变的强化研究也甚为广泛。而本文的研究重心是关于电场对气液相变的影响以及电场对气液相变传热的强化作用的研究。旨在从理论上为电场强化气液相变的研究提供参考的理论,为广大学者提供另一个角度的解读,从热力学理论上解释电场强化气液相变及其传热的现象和机理。本文从相平衡的基本原理出发,结合电介质理论等相关学科知识,引入电场作用项,从能量关系出发推导出电场下,与气液相变及其传热密切相关的各个物理量与电场强度的数学关系,重点研究体系的热容、温度、焓以及气液相变焓与外加电场的数学关系。在此基础上引用文献调研所得的模拟或试验数据,对本课题的理论结论进行数据验算,证明本理论的合理性以及应用前景。总的来说,本文所得出的电场强化单组分气液相变传热的热力学机理对于相关科学研究与工程实际都有相当的指导意义。

关键词：电场热力学热效应气液相变传热

高真空、微重力、冷背景下近三相点多相流数值模拟研究

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高真空、微重力、冷背景下近三相点多相流数值模拟研究

作者：郭舜之兰州交通大学

学位级别：硕士

空间技术与低温工程密切相关,有效、可靠的低温制冷系统在保证空间高超声速飞行器正常运行中显得尤为重要。低温冷屏蔽技术随着空间科技的日益成熟逐渐被重视,该技术的目的为有效抑制目标物的辐射强度,因而在原理上实现该技术的途径主... 详细信息

空间技术与低温工程密切相关,有效、可靠的低温制冷系统在保证空间高超声速飞行器正常运行中显得尤为重要。低温冷屏蔽技术随着空间科技的日益成熟逐渐被重视,该技术的目的为有效抑制目标物的辐射强度,因而在原理上实现该技术的途径主要有以下两种,即减小辐射强度、改变辐射的传输过程。其中以降低目标表面辐射强度的技术应用最广泛,依据红外成像探测仪器的探测原理,只要减少目标表面发射系数和降低目标表面温度即可实现该技术,前者用低发射系数材料覆盖于飞行物的方法减少辐射强度,后者则需要对目标表面覆盖一层绝热材料或利用某些制冷剂和相变材料来实现。目前利用低温流体的相变制冷获得冷量的方法被广泛应用,该技术借助流道内深冷剂蒸发吸热来有效降低飞行器表面温度,即有效减小了辐射强度,达到了屏蔽外界热量的效果。液氮冷屏蔽系统采用液氮作为深冷剂,利用毛细材料分层蓄液、近三相点制冷、扩压分流等原理来降低飞行器表面的温度。液氮冷屏系统作为空间有效的制冷设备,其内部的相变制冷和节流制冷是两个重要的过程,过程涉及了气液两相流界面形态、蒸发与冷凝、两相流流型等复杂过程。目前缺乏高真空、微重力、冷背景下冷屏蔽系统在近三相点时相变节流制冷所需基础理论支持,因此对冷屏内部流场形态、传热情况等的相关研究具有很重要的意义,同时也为冷屏结构的进一步设计工作提供相应的理论依据。ANSYS FLUEN T提供了很多数值模型,本文采用多相流VOF模型、RN G k-ε湍流模型,表面张力CSF模型、蒸发—冷凝模型分别对液氮夹层单元模型及节流阀扩压腔模型内的流体流动情况进行数值模拟。其中多相流VOF模型是一种流体体积函数,即是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法,在流场中的每个网格,该函数定义为目标流体的体积与网格体积的比值,只要知道函数在每个网格的值,就可实现对运动界面的追踪。VOF模型中也包含了多相流之间界面存在的表面张力作用,这种作用由流体与壁面之间的接触角来反映,FLUENT提供了表面张力CSF模型。RNG k-ε湍流模型,在计算功能上强于标准k-ε模型,该模型对近壁区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应。蒸发—冷凝模型根据多相流和表面传热模型来表示蒸发、冷凝两个模型相界面的质量传递,其中Lee模型被广泛使用,该模型是基于物理基础的机械模型。根据模型特点结合数值模拟中各类模型的适用条件,及根据微重力环境下存在热毛细对流的特点,通过改变接触角大小及Bo数大小,观察液氮在三相点时,夹层单元内气液两相界面的变化情况,同时得出不同工况下模型内部的流场分布情况,并与已有的单相流流场分布模拟结果进行对比。通过计算并对照Hewitt-Roberts垂直上升管流型图,验证节流阀扩压腔内流体在三相点、零重力环境下数值模拟出现的流型的合理性,并对对应流型的流场分布进行了分析,同时通过改变气、液两相折算速度,得出流型分布情况、不同流型时的含气率分布规律及压差分布规律。模拟结果表明,接触角越小,Bo数越小,液氮夹层单元内部越易形成被液相包围的封闭大气泡,此时模型内部压差、温差、最大速度随之减小,接触角在90°,零重力条件下及接触角在10°,1g条件下的气液界面基本无明显变化,在接触角大于90°时,液相沿壁面爬升能力很弱,使得气液界面出现下凹的现象,由模拟结果结合实际情况可得出微重力、接触角小的情况下相变制冷过程较为稳定,但容易发生液泛现象,应适当增大接触角来抑制液泛现象的发生。节流阀扩压腔模拟结果中出现了四种流型型态,包括两种形态的细泡状流型、细泡-弹状流型及块状流型,与计算所得流型基本吻合,几种流型的含气率均随高度的增加而增大,且弹状流和块状流含气率较泡状流大;将不同气、液折算速度下模拟结果得出的流型分布情况与理论计算结果对比,基本吻合,且当液相折算速度不变时,随着气相折算速度的增大,气相对液相作用力增大,节流阀扩压腔内的含气率升高而压降随之降低。结合液氮夹层单元和节流阀扩压腔内的数值模拟结果,使用制冷剂计算软件REFPROP绘制相变制冷过程和节流制冷过程中的温熵图,通过读取所需物理量,计算出两个制冷过程中的制冷量。节流制冷过程将不同节流压比时的制冷量进行对比,得出节流压比越大,制冷量越大。

关键词：两相流流型气液相变数值模拟