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闭式环境下温差液体提升系统的流场特性基础性研究

闭式环境下温差液体提升系统的流场特性基础性研究

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作者：茅远哲杭州电子科技大学

学位级别：硕士

人工上升流技术是一项能够改善海洋环境,丰富渔业资源的有效技术。温差液体提升系统主要是通过加热方式来人为产生逆向垂直温度梯度从而形成人工上升流。本文主要通过一系列的实验及数值模拟方法对闭式环境下人工上升流的各项基础特征... 详细信息

人工上升流技术是一项能够改善海洋环境,丰富渔业资源的有效技术。温差液体提升系统主要是通过加热方式来人为产生逆向垂直温度梯度从而形成人工上升流。本文主要通过一系列的实验及数值模拟方法对闭式环境下人工上升流的各项基础特征开展研究,希望通过本文的研究能够为我国海洋资源的开采以及海洋环境的改善作出一定的贡献。本文首先从研究背景着手,深入探讨了现有各种人工上升流技术的技术特点以及发展现状,并对其进行了梳理与总结。然后针对闭式环境下温差液体提升系统的研究,搭建了基于PIV系统的实验台,通过本次实验初步研究了垂直管内液体提升系统的流场特性,发现管内流动依然主要以紊流为主,次第上升的高速水团推动了管口涌升的持续进行。实验也初步探讨了垂直管特征参数如管径、放置位置等与流场特性之间的关系。结果发现在实验工况中,当管径相等时,下管口距离底面8mm和40mm两种情况下,管道内各处的流动速度基本一致,40mm情况较8mm情况速度峰值与速度平稳值的高度都要延后。在同一高度情况下,管径越大其相同高度处的特征上升速度越大。接着本文以实验系统为模型参考,开展了数值模拟研究。研究探讨了在不同情况下管内上升流的流场特性,并进一步考察了加热功率、初始温度以及管径大小等系统参数对于上升流特性参数的影响规律。总体而言,数值模拟结果与实验结果二者情况基本相同,说明所建数值模型的合理性。管内上升流的特征上升速度随着高度的升高先增大再减小,到达管口处发生极度扩散。向上流动流根据上升特性速度的变化特性,可以分为稳定化区、减速区和增速区三个区域。在一定范围内,随着管径的增加,特征速度趋于稳定在更高的高度。在相同高度处,在管径大的条件下特征速度的值相对较大。在其他条件相同时,系统提升流量和加热功率呈现出明显的正相关情况。虽然在研究工况中,管的相对位置(下管口距离底面高度)对于管口流量影响十分小,但整体也仍表现为正相关情况。最后,本文对建立闭式环境温差液体提升系统的理论模型开展了初步的探索。我们对前述数值模拟所得到的结果数据开展数学分析,初步得到了管口流量与加热功率、初始温度以及管径三个系统特性参数之间的函数关系。总体而言,通过对研究结果的数据处理,在所研究工况下,管内流场的上升速度与加热功率、管道直径均以及管道高度均成正相关关系,管道出口处的流量与加热功率、管道直径均和管道高度也成正相关关系,通过Origin的函数拟合做单一变量的拟合后,得到管口处流量与初始温度、管径大小、加热功率均成二次函数关系,与多变量成三次函数关系。

关键词：闭式环境液体提升系统 PIV CFD模拟理论分析

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