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临界热流密度流体模化广义准则数研究

原子能科学技术 2010年第5期44卷 558-561页

作者：陈常念韩吉田邵莉卢申卿陈斌山东大学能源与动力工程学院制冷与低温工程研究所山东济南250061 上海核工程研究设计院上海200233

考虑到不同流道结构参数对流动沸腾临界热流密度(CHF)的影响,提出一描述流道结构参数影响的广义影响因子Dn,基于相似理论和量纲分析理论导出了含有参数n的13个相似准则数,并与Ahmad的推导结论进行了比较。对比结果显示,Ahmad的推导结论... 详细信息

考虑到不同流道结构参数对流动沸腾临界热流密度(CHF)的影响,提出一描述流道结构参数影响的广义影响因子Dn,基于相似理论和量纲分析理论导出了含有参数n的13个相似准则数,并与Ahmad的推导结论进行了比较。对比结果显示,Ahmad的推导结论是本文结论n=1时的特殊情形,也可认为本文定义了一新的能够集中反映复杂流道型式对CHF发生机理影响的等效特征尺寸De。

关键词：临界热流密度流体模化相似理论量纲分析

超临界CO_2流体萃取法提取草果挥发油化学成分的研究

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中国药学杂志 2004年第9期39卷 705-706页

作者：赵怡张国英肖中华邱琴山东大学化学与化工实验教学中心山东济南250100 山东大学环境科学与工程实验教学中心山东济南250100

草果为姜科植物草果(Amomum tsao-ko Crevost et Lemaire)的干燥成熟果实.主要产于云南、广西、贵州等地.草果的果实除作药用外,还是著名的香料和调味品.对于草果挥发油化学成分的分析虽已有报道,但对云南及广西产草果采用超临界CO2萃... 详细信息

草果为姜科植物草果(Amomum tsao-ko Crevost et Lemaire)的干燥成熟果实.主要产于云南、广西、贵州等地.草果的果实除作药用外,还是著名的香料和调味品.对于草果挥发油化学成分的分析虽已有报道,但对云南及广西产草果采用超临界CO2萃取法提取挥发油,并对其化学成分进行分析、比较,目前笔者尚未见报道.本实验采用了超临界流体萃取技术(SFE-CO2)分别提取了云南及广西产草果挥发油,用气相色谱-质谱联用技术检测了挥发油的化学成分.

关键词：超临界CO2流体萃取法提取草果挥发油化学成分

超临界CO_2流体萃取法与水蒸气蒸馏法提取荆芥穗挥发油化学成分的研究

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色谱 2005年第6期23卷 646-650页

作者：邱琴凌建亚丁玉萍常宏文王江刘廷礼山东大学环境科学与工程学院山东济南250100 山东大学微生物技术国家重点实验室山东济南250100

采用超临界CO2萃取法(SFE)与水蒸气蒸馏法(SD)从荆芥穗中提取挥发油。采用SE-54毛细管柱进行分析,用气相色谱-质谱法对挥发油中各种化学成分进行鉴定,用归一化法测定各组分的含量。色谱条件:SE-54毛细管柱(30m×0.25mm i.d.,0.25μm),柱... 详细信息

采用超临界CO2萃取法(SFE)与水蒸气蒸馏法(SD)从荆芥穗中提取挥发油。采用SE-54毛细管柱进行分析,用气相色谱-质谱法对挥发油中各种化学成分进行鉴定,用归一化法测定各组分的含量。色谱条件:SE-54毛细管柱(30m×0.25mm i.d.,0.25μm),柱温50℃(3m in)5℃/m in180℃(2m in)10℃/m in260℃(50m in);分流进样,分流比1∶50;进样口温度280℃。在采用超临界CO2萃取法提取的挥发油中共鉴定出54种成分,其主要成分为长叶薄荷酮、薄荷酮、亚油酸氯化物等;在水蒸气蒸馏法提取的挥发油中共鉴定出39种成分,其主要成分为长叶薄荷酮、薄荷酮、柠檬烯等。超临界法较水蒸气法更加稳定可靠,重现性好,适用于中药挥发油的化学成分分析。

关键词：超临界流体萃取水蒸气蒸馏气相色谱-质谱荆芥穗中草药

超临界CO_2流体萃取法与水蒸气蒸馏法提取肉豆蔻挥发性化学成分的研究

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中药材 2004年第11期27卷 823-826页

作者：邱琴张国英孙小敏刘辛欣山东大学环境科学与工程学院济南250100 山东大学经济学院济南250100

采用超临界CO2 萃取法与水蒸气蒸馏法从肉豆蔻中提取挥发油 ,用气相色谱质谱联用技术测定其化学成分及相对含量 ,对两种提取方法所得的挥发油进行比较。水蒸气蒸馏法提取挥发油主要成分为 β 蒎烯、松油烯 4 醇、α 蒎烯、γ 松油烯、... 详细信息

采用超临界CO2 萃取法与水蒸气蒸馏法从肉豆蔻中提取挥发油 ,用气相色谱质谱联用技术测定其化学成分及相对含量 ,对两种提取方法所得的挥发油进行比较。水蒸气蒸馏法提取挥发油主要成分为 β 蒎烯、松油烯 4 醇、α 蒎烯、γ 松油烯、β 水芹烯等 ;超临界CO2 萃取法提取的挥发油主要成分为 :肉豆蔻酸、肉豆蔻醚、松油烯 4 醇、α 蒎烯。

关键词：超临界CO2流体萃取法水蒸气蒸馏法肉豆蔻挥发性化学成分中药材

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新型超临界流体染色设备研究

新型超临界流体染色设备研究

作者：王贺山东大学

学位级别：硕士

超临界流体染色是用超临界流体替代水作为染料载体的一种新型无水染色技术。文中综述了超临界流体染色机理、工艺和设备的发展历程,超临界流体静态工艺、卷染工艺以及喷染工艺特点。分析了超临界流体卷染工艺目前存在的不足,为解决卷... 详细信息

超临界流体染色是用超临界流体替代水作为染料载体的一种新型无水染色技术。文中综述了超临界流体染色机理、工艺和设备的发展历程,超临界流体静态工艺、卷染工艺以及喷染工艺特点。分析了超临界流体卷染工艺目前存在的不足,为解决卷染工艺中流体循环输送以及卷辊旋转等高压密封问题,设计了适用于该工艺环境的高压屏蔽循环泵和卷辊驱动电机;并给出了其设计思想、具体结构和设计方法。完成了卷染工艺的试染。提出了低张力喷染设备结构,并基于该结构特点设计了超临界流体喷染工艺流程。设计了试验用喷染器,给出了喷嘴、染布辊等部件的具体结构。选择NIST实际气体作为物性模型,简化被染物为多孔介质,忽略染料对流体流动的影响,假设喷孔壁面光滑,建立了喷染器内部稳定流动模型。模拟研究了被染物粘性系数、喷孔出口截面距被染物的距离、回流管直径、回流管真空度等参数对单喷孔喷染器内部流场的影响,分析了多喷孔喷染器喷孔中心线夹角对内部流场的影响。结果表明,减小喷孔出口截面距被染物的距离、增大被染物粘性系数、减小回流管直径、减小回流管真空度,以及增大喷孔中心轴线夹角,使得高压区域变大,有利于上染。所获得的研究结果,可对超临界流体染色技术的进一步研究提供帮助。

关键词：超临界流体染色喷染喷染器卷染流场模拟

搅拌摩擦焊接过程的“热-流-固”耦合数值模拟及孔洞缺陷预测

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搅拌摩擦焊接过程的“热-流-固”耦合数值模拟及孔洞缺陷预测

作者：陈洁山东大学

学位级别：硕士

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)作为固相连接技术,具有接头质量高、焊件变形小等优点,广泛应用于铝、镁等轻质合金的连接。然而,大量工艺试验表明,在焊接工艺参数不匹配时,既会导致搅拌区的塑性材料流动不充分,易在接头内部产... 详细信息

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)作为固相连接技术,具有接头质量高、焊件变形小等优点,广泛应用于铝、镁等轻质合金的连接。然而,大量工艺试验表明,在焊接工艺参数不匹配时,既会导致搅拌区的塑性材料流动不充分,易在接头内部产生孔洞缺陷,严重影响焊接接头的使役性能;又易导致搅拌头受力过大而发生断裂,严重影响搅拌头的服役寿命。这些问题都限制了搅拌摩擦焊接临界速度和焊接效率的提高。研究FSW接头孔洞缺陷的形成机理,可靠预测搅拌头的使役寿命,对优化焊接工艺参数、调控接头成形成性、提高焊接效率、降低生产成本都具有重要的理论意义和工程应用价值。根据搅拌头与工件之间的交互作用规律,定量描述了工件与搅拌头接触界面正压力的非均匀分布。在此基础上,基于工件-搅拌头之间的剪切力边界条件,采用计算流体力学方法建立了铝合金搅拌摩擦焊接过程的数值分析模型。应用离散粒子追踪方法表征孔洞缺陷,对比分析了该剪切力边界模型和三种经典速度边界模型(分别为滑移率为常数、与速度相关、与温度相关)的孔洞缺陷预测结果与实验测试结果,发现该剪切力边界模型能够较为合理地预测不同工艺参数匹配条件下FSW接头成形特征(有无孔洞缺陷,孔洞缺陷的尺寸、形貌和位置等)。随后,进一步通过接头的热力影响区的形状和典型位置的焊接热循环验证了该剪切力边界模型的合理性。最后,系统开展了不同焊接速度与搅拌头转速匹配条件下的搅拌摩擦焊接过程数值分析,并提出了预测接头出现孔洞缺陷的临界特征参量。为了更深入地理解孔洞缺陷的形成机理,恒定搅拌头转速为800 rpm,系统对比了焊接速度为20mm/min(未产生孔洞)和180mm/min(产生孔洞)条件下铝合金搅拌摩擦焊接过程的热力耦合模拟结果,定量对比分析了形成孔洞缺陷时塑性材料的热力变形过程和流动行为特征。结果表明:当焊接速度较低时,各平面上的材料均呈水平迁移,能够较好地填充搅拌头后方的空腔,接头无孔洞缺陷;随着焊接速度的提高,搅拌头后方的摩擦驱动力显著减小,塑性材料的流动性降低,导致焊缝下部的塑性材料从搅拌头后退侧绕过搅拌头后,难以向前进侧迁移,最终使得焊缝中下部的前进侧区域形成孔洞缺陷。当保持焊接工艺参数和搅拌针根部直径恒定时,增大搅拌针端部的直径,焊缝横截面上孔洞缺陷的宽度增大而高度减小。在流体动力学模型的基础上,建立了搅拌摩擦焊接过程的热-流-固耦合数值模型,将流体的温度和压力结果通过搅拌头与工件的流固耦合面导入结构计算模块,定量分析了工艺参数对搅拌头的温度、应力、应变分布的影响规律,探究了不同工艺参数条件下搅拌头的承载能力和疲劳寿命。结果表明,离T/W接触界面越远,搅拌头的温度越低。搅拌头上的最大等效应力随其转速的增大而减小,随焊接速度的增大而增大。当焊速较低时,搅拌头上的应力分布较均匀;随着焊接速度的提高,搅拌针根部出现明显的应力集中,且前方受拉应力、后方受压应力,导致搅拌头易从其根部断裂。搅拌头的使役寿命随焊接速度的增大而降低,随其旋转速度的增大而提高。此外,搅拌头上的平均法向应力呈周期性变化,且变化周期与搅拌头的旋转周期一致。

关键词：搅拌摩擦焊数值模拟热-流-固耦合模拟孔洞缺陷预测搅拌头寿命

用于提高低渗透页岩油气藏采收率的CO2泡沬压裂液体系的研究

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用于提高低渗透页岩油气藏采收率的CO2泡沬压裂液体系的研究

作者：张晓晗山东大学

学位级别：硕士

随着工业化的快速发展,常规油气藏不断枯竭,高效开发低渗透油气藏等非常规油气藏对缓解能源供需矛盾至关重要。压裂是低渗透非常规油气藏最有效的增产措施之一。二氧化碳(CO2)泡沫作为压裂体系应用于提高原油采收率和页岩气采收率,结合... 详细信息

随着工业化的快速发展,常规油气藏不断枯竭,高效开发低渗透油气藏等非常规油气藏对缓解能源供需矛盾至关重要。压裂是低渗透非常规油气藏最有效的增产措施之一。二氧化碳(CO2)泡沫作为压裂体系应用于提高原油采收率和页岩气采收率,结合了对温室气体的经济利用以及碳封存技术,是油气领域近年来的研究热点。由于CO2气泡在水相中难以稳定存在,常规表面活性剂对CO2泡沫的稳定作用普遍较差,制备具有理想稳定性的CO2泡沫特别是对低渗透油气藏具有适应性的CO2泡沫是极大挑战。因此,研发性能优异的CO2泡沫稳定剂,研究CO2气泡的产生和稳定机制,建立产生稳定的小尺寸CO2气泡的方法,对于推动CO2泡沫压裂体系的应用,具有重要的理论意义和应用价值。本论文采用疏水改性的水溶性聚电解质(HMPE)作为高分子表面活性剂,实现对CO2气泡的稳定,分别采用气流法和加压-减压法产生毫米级和微米级的CO2气泡,所制备的CO2泡沫体系具有优异的静态稳定性、动态稳定性和流变性,并揭示了不同尺寸范围的CO2气泡产生和稳定的影响因素及机理。并且探究了CO2泡沫和固体颗粒之间的相互作用,发现该CO2泡沫体系对支撑剂具有超强的承载能力且具有低摩阻的优势,表明该CO2泡沫体系在提高油气采收率方面具有重要前景。本文主要包括以下三个部分的研究内容:(1)研究了用HMPE溶液制备的CO2泡沫体系的稳定性,并探讨了稳定机制。首先考察了 HMPE溶液的体相性质,该溶液的临界缔合浓度CAC为0.14 wt%,溶液粘度随剪切速率的增加而降低,表现出假塑性行为。采用气流法产生的毫米级CO2气泡,具有良好的静态稳定性;动态表观粘度也在较长时间的动态剪切下保持高数值;界面流变研究表明,CO2泡沫的弹性模量(G’)大于粘性模量(G"),表现出弹性特征;HMPE分子吸附在界面上形成致密泡沫膜,导致CO2泡沫的稳定性得到提高,并且HMPE能增强CO2泡沫的表观粘度,提高携液能力,减缓液膜的排液。采用加压-减压的方法产生微米级CO2气泡,微泡的直径大约为30～50 μm,界面电性使其具有自润滑作用,降低泡沫流体的摩阻;并且研究表明,CO2微泡的产生量随着平衡压力的增加而显著增加;CO2气体通过液膜进行的扩散导致CO2微泡发生衰减。本工作为具有良好稳定性的CO2泡沫的研发和应用提供一定的理论指导。(2)考察HMPE溶液制备的CO2泡沫体系的携砂性能。首先探究了CO2微泡和陶粒之间的相互作用及作用机制,发现CO2微泡可以牢固附着在陶粒表面。通过陶粒在CO2泡沫体系中的静态沉降实验评价了携砂性能。CO2泡沫在负载35%陶粒时静态沉降速度为1.6 × 10-6m/s,远小于文献报道值,完全满足在实际应用中支撑剂最大允许沉降速度的要求。结合各方面的实验表征结果,揭示了携砂机制。本工作为泡沫压裂体系在开采油气藏的施工设计中提供理论依据和技术支撑。(3)研究了纳米SiO2颗粒和小分子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与HMPE的复合体系制备的CO2泡沫的性能。考察了复配体系溶液的体相性质以及形成的CO2泡沫的静态稳定性、粘度以及粘弹性等性能。研究表明,纳米SiO2颗粒和HMPE分子共同作用吸附在CO2/液体界面上,使得CO2泡沫具有良好的稳定性;纳米SiO2颗粒阻隔相邻CO2气泡之间的交联,降低了CO2泡沫的动态表观粘度,可降低泡沫压裂液体系的摩阻。CTAB/HMPE复合体系制备的CO2泡沫具有很好的稳定性,更为有趣的是该体系形成的CO2泡沫的稳定性比N2泡沫更高,通过采用分子模拟和实验相结合的研究方法,揭示了其机理,发现了表面活性剂CTAB极性基和CO2之间的相互作用能较大。本部分研究工作为CO2泡沫体系的进一步优化揭示了新途径。综上所述,本文采用疏水改性的水溶性聚电解质HMPE实现了对CO2泡沫的稳定,建立了制备不同尺寸CO2气泡的方法,并探究了形成和稳定机制。所制备的CO2泡沫体系具备优异的携砂性能,并可降低摩阻,在作为泡沫压裂液提高低渗透油气藏采收率方面具有重要前景。本文研究工作不仅为低渗透页岩油气藏的高效开发提供了理论指导和实验依据,也拓宽了疏水改性的水溶性电解质的应用范围,既具有理论意义,也具有应用价值。

关键词： CO2泡沫高分子表面活性剂压裂液微泡低渗透油气藏

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超临界流体卷染及其工业用卷染器研究

超临界流体卷染及其工业用卷染器研究

作者：陈银山东大学

学位级别：硕士

作者对超临界流体(Supercritical Fluid,SCF)染色技术的染色工艺、染色设备以及染色技术应用的研究现状进行了综述和分析,总结了SCF染色工艺和染色器的工业化推广应用中存在的问题,介绍了SCF卷染工艺研究的价值和应用前景。分析了目前... 详细信息

作者对超临界流体(Supercritical Fluid,SCF)染色技术的染色工艺、染色设备以及染色技术应用的研究现状进行了综述和分析,总结了SCF染色工艺和染色器的工业化推广应用中存在的问题,介绍了SCF卷染工艺研究的价值和应用前景。分析了目前超临界流体染色工艺存在的不足,研究设计了一种工艺流程简便、设备投资小、运行费用低、染色前准备时间短、超临界流体染色效率高且适合工业化应用的一种超临界流体卷染工艺,并介绍了SC-CO2新型卷染工艺的具体实施方式。在课题组原有设计基础上,设计了一种改进型的SC-CO2卷染器,这种卷染器结构在卷布辊的布置以及织物行走路径的设计上做了较大的优化,能够充分利用卷染器内部空间,提高织物的染色效率。利用改进后的SC-CO2卷染装置分别进行子分散红60、分散红E-4B、分散蓝79、分散黑EC0300%染色聚酯纤维的试验,其中分散红60在25MPa、120℃的工艺条件下染色涤纶织物达到了水染的质量标准,获得了较为理想的试验结果,证明了SC-CO2卷染工艺的可行性。进行了改进型SC-CO2卷染器内部流场的数值模拟,通过2D模拟结果可以得出：在SC-CO2染液出口管直径一定时,染液入口管的直径增大有助于卷染器内部织物表面形成均匀稳定的流场,同时能避免染液流场的局部短路现象。

关键词：超临界流体染色工业应用卷染器工艺流程流场模拟

基于优化算法的跨临界CO2两相喷射器结构优化和性能分析

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基于优化算法的跨临界CO2两相喷射器结构优化和性能分析

作者：刘光弟山东大学

学位级别：硕士

制冷系统已成为保障人民日常生活的基础设施,近年来,传统制冷剂所引发的全球变暖、臭氧层耗损等气候环境问题愈发严重,自然制冷剂CO2以其安全性好、环保性高、热物理性质优良和易于获取等优点得到世界各国的广泛关注。然而,由于CO2临界... 详细信息

制冷系统已成为保障人民日常生活的基础设施,近年来,传统制冷剂所引发的全球变暖、臭氧层耗损等气候环境问题愈发严重,自然制冷剂CO2以其安全性好、环保性高、热物理性质优良和易于获取等优点得到世界各国的广泛关注。然而,由于CO2临界温度较低,使得CO2制冷系统在大多数工况下处于跨临界循环,若采用传统的膨胀阀势必会产生巨大的节流损失,进而导致系统性能恶化。因此,有效的膨胀回收装置是促进CO2制冷系统广泛应用的重要前提。喷射器,可以在不消耗额外机械能的基础上提升引射流体压力,在回收CO2制冷系统节流损失、减少压缩机功耗、提高系统制冷能力方面表现出巨大潜力。然而,喷射器由于自身结构限制使其在CO2喷射制冷系统实际运行过程中性能较低,严重阻碍了 CO2喷射制冷系统的广泛应用。因此,为了提高CO2两相喷射器在制冷系统实际运行时的性能,本文提出理论分析、数值模拟和优化算法耦合的喷射器优化技术,对CO2喷射器在制冷系统全工况运行时开展了一系列的优化研究。主要内容如下:(1)根据经典热力学方法建立了 CO2喷射器一维设计程序,得出给定工况下CO2喷射器初始几何尺寸。通过ICEM建立了喷射器的三维和二维网格模型,并导入Fluent进行CFD仿真,使用Fluent自带的UDF功能建立了均相平衡模型(HEM)和均相弛豫模型(HRM)用以实现对CO2喷射器内气液两相流动的数值模拟,之后通过实验数据验证了 CFD模型的准确性。(2)通过正交优化设计对喷射器内1 1个几何参数进行了敏感性分析,结果表明混合室直径Dmix、喷嘴出口位置NXP、喷嘴喉部直径Dth、喷嘴扩散角α2、混合室长度Lmix、扩散室角度α4是影响喷射器效率的关键几何参数。之后以喷射器效率为目标函数,应用CFD模拟、人工神经网络(ANN)和遗传算法(GA)对典型超市制冷工况下的CO2喷射器关键几何结构进行优化,得到了最优模型的几何参数,其中混合室直径、喷嘴出口位置、喷嘴扩散角、混合室长度和扩散室角度分别为4.24 mm、0.40 mm、0.55°、67.02 mm和3.08°。最优模型的最大喷射器效率比基础模型提升了 11.85%。另外,研究结果表明最优模型的速度场更加均匀,激波强度略低于基础模型。(3)为了使喷射器在工况发生变化时始终保持高效运行,提出了喷射器在系统变工况运行时的两种设计方案:并联喷射器组和可调式喷射器。其中,并联喷射器组主要是由多个固定式喷射器并联在系统中,根据工况变化对喷射器组进行调节使制冷系统始终保持高效运行。首先,以喷射器关键几何参数和边界条件为自变量,以喷射器效率和引射比为目标函数,应用人工神经网络建立了上述自变量与目标函数之间的映射关系,之后应用NSGA-Ⅱ得到了多目标优化模型(MOO),根据蒸发温度范围的不同,得出4组最优喷射器模型。优化结果表明,在不同蒸发温度下最优模型的喷射器效率分别为41.70%、42.70%、42.69%和 43.26%,其引射比分别为 0.695、0.848、1.019 和 0.887。与基础模型相比,平均喷射器效率提升了 13.20%。可调式喷射器是指通过移动探针来调节一次流喷嘴有效流通面积,进而调节一次流质量流量,从而使喷射器在工况变化时仍能保持较高的效率运行。研究结果表明,在工况发生变化时,可调式喷射器效率始终保持在30%以上运行。(4)搭建了 CO2喷射制冷系统实验测试台,测试了不同工况下喷射器的性能并验证了所建立的数值仿真模型的准确性。验证结果表明一次流的平均相对误差为3.73%,二次流的平均相对误差为6.09%,模型具有较高的准确性,可以预测跨临界CO2两相喷射器的性能。

关键词： CO2喷射制冷系统喷射器计算流体力学人工神经网络遗传算法性能分析