超声速旋流天然气分离器的旋流特性数值模拟

与传统的低温分离工艺相比,超声速旋流天然气分离器是天然气处理工艺技术的一大创新.在超声速旋流天然气分离器中,气流经过拉伐尔喷管绝热膨胀形成带液滴的超声速低温混合气流,在超声速翼的作用下混合气流由轴流转换成旋流,实现超声速旋流分离.超声速翼是实现气液分离的关键部件.设计了三角薄板型超声速翼,并利用CFD软件对超声速翼段内气流温度、压力、马赫数等特性参数的变化规律和翼段沿主流方向切向速度的变化情况进行了分析.结果表明,在所设计的超声速翼段内,气流能始终保持超声速,翼段出口马赫数为1.4,翼前无激波产生;分离器的旋流加速度最高在572000g,可实现良好的超声速气液旋流分离.     

新型超声速旋流分离器设计及数值模拟

设计一种静态导向叶片安装在拉伐尔喷管之前,使流体经旋流后再进入拉伐尔喷管进行膨胀降温的新型超声速旋流分离器.新型超声速旋流分离器中气流的旋转发生在亚声速段,使得分离器内的激波更容易控制,降低能量损失,使液滴的再蒸发影响程度减小,从而提高分离器的分离性能及压力恢复能力.对新型超声速旋流分离器内流体的流动规律进行数值模拟研究.结果表明:随着升压比的增大,激波位置由扩压器向喷管方向移动,升压比控制在40% ～ 73%内,超声速旋流分离器可正常工作;气流在拉伐尔喷管出口处形成低温、低压区,马赫数达到2.0,静温达-98.82 ℃,静压达82.945 kPa;新型分离器内旋流场离心加速度可达243558g(g为重力加速度),能够实现良好的超声速气液旋流分离.     

一种超声速翼对超声速气体分离器流场的影响

气流的高速旋转是超声速气体分离器实现气液分离的关键。设计了一种梯形弯扭结构超声速翼,并对超声速翼前后速度、温度、压力变化进行了数值模拟。结果表明:气流经过超声速翼后高速旋转,最大切向速度可达227 m/s,最低温度为206 K,并且翼后无强激波产生,可以实现良好的气液分离。     

超声速旋流分离器内气液两相流流动特性

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值方法对超声速旋流分离器内部复杂的气液两相流场进行数值计算。在数值模拟中,采用RNG k-ε模型模拟气相流动,采用离散相模型(DPM)追踪颗粒运动轨迹。以湿空气为介质,测量超声速分离器的轴向压力并与数值模拟结果进行对比。结果表明:数值模拟结果和测量值较为一致;气体进入超声速喷管后发生膨胀形成低温(-70℃),使天然气中的水凝结为液滴,同时气体经旋流叶片产生旋流,经中心体的收缩形成较大的离心加速度(300000 g);在巨大的离心场作用下极少部分液相颗粒随气相从扩压器流出,大部分液相颗粒与旋流分离段壁面碰撞被吸附或直接进入积液槽空间被排出,达到气液分离的目的。     

喷管内高速流动天然气相变特性数值研究

在超声速旋流天然气分离器中,气流经过拉伐尔喷管绝热膨胀形成带液滴的超声速低温混合气流,喷管内的相变是实现天然气分离的关键.根据相变理论、气体动力学理论并考虑了实际气体的影响,建立了描述有相变的喷管中天然气高速流动的数学模型.研究了喷管内有相变的天然气的流动特性;计算了不同入口条件下的相变起始点位置和水蒸汽的凝析率;分析了当喷管入口温度一定时,相变起始点、水蒸汽凝析率与入口压力的关系.计算结果表明,随着入口压力的升高,相变起始点位置逐渐前移,水蒸汽凝析率逐渐增大,建立了一种预测超声速旋流分离器正常工作压力范围的方法.     

内旋流筛孔柱状气液计量分离器实验研究

设计了一种内旋流筛孔柱状气液计量分离器,并通过实验研究入口流型与气、液折算速度对内旋流筛孔柱状气液计量分离器计量效果的影响。结果表明,气相质量流量在0~0.05 kg/s,液相质量流量在0~0.60 kg/s范围内,气相与液相分离效率不受流型或气、液折算速度的影响,分离器能够适应不同流型的分离要求。在分离器处理能力内,气相分离相对误差为2.5%,液相分离误差为3.0%。内旋流筛孔柱状气液计量分离器有较好的分离计量效果,为气液混合流量计量提供良好参考。     

气液旋流分离器排气管结构试验

通过对气液旋流分离器分离性能的试验研究发现,排气管的结构尺寸对旋流器分离的临界速度及分离效率有显著影响.相对于传统的直管型排气结构,采用扩散锥形的排气管结构可以有效地削弱旋流分离器内短路流的影响,增大排气心管内液膜的形成速度,从而在保证压力降基本不变的前提下提高分离效率.旋流器分离的临界速度受物料含液浓度的影响不大,主要受排气管结构尺寸的影响.     

气液旋流分离器排气管结构试验

通过对气液旋流分离器分离性能的试验研究发现,排气管的结构尺寸对旋流器分离的临界速度及分离效率有显著影响.相对于传统的直管型排气结构,采用扩散锥形的排气管结构可以有效地削弱旋流分离器内短路流的影响,增大排气心管内液膜的形成速度,从而在保证压力降基本不变的前提下提高分离效率.旋流器分离的临界速度受物料含液浓度的影响不大,主要受排气管结构尺寸的影响.     

圆柱式气液旋流分离器的性能评价

圆柱式气液旋流分离器（GLCC）是一种新型、高效的小型分离设备。通过对GLCC分离机理的研究,对GLCC的入口进行了优化,制作了试验模型,并在气液两相流试验环道上对GLCC的分离效果进行了试验。结果表明：GLCC具有较好的分离性能;在设计工况下,其液体含气率和气体含液率都能满足现行标准,并且具有下倾入口的GLCC比水平入口的GLCC分离效果要好;液相粘度影响GLCC的分离性能,粘度增大,GLCC分离效果变差,气液处理量变小。     

Laval喷管设计及在天然气液化中的应用研究

提出通过超声速喷管使气体在高速流动条件下急剧膨胀而产生的低温效应液化天然气。结合双三次曲线法、BWRS真实气体状态方程、圆弧加直线方法及边界层黏性修正进行Laval喷管的设计,对喷管内甲烷气体的流动及液化过程进行研究,并分析入口温度、压力及背压对甲烷气液化过程的影响。研究结果表明:气体在喷管内流动达到超声速并导致低压低温,促使气体液化;入口温度的降低或入口压力的升高能促进气体液化,但过低温度(低于170 K)将使气体进入固相区,同样,提高压力时,由于比热比增大,当压力增大到2.5 MPa时也将使气体进入固相区,阻碍气体的液化;随着背压的升高,激波将进入喷管内,减弱或破坏气体的液化过程。利用超声速旋流分离器液化天然气时,应尽可能地回收压力能并保证激波不进入喷管和旋流分离段内。     

液体射流在旋转气体中分裂破碎机理研究

研究了旋转气流中空心柱液体射流的流动参数、喷嘴几何因素在液膜分裂破碎过程中的不稳定性作用,结果表明：液膜的分裂破碎主要是由表面张力引起的;液体Reynolds数在整个射流过程中起不稳定性的作用;在旋转气流中,内部气动力及内部旋转强度的变化,对液体射流的不稳定性没有影响,而外部气动力及外部旋转强度在液体射流的破碎过程中起着稳定性的作用;在旋转气流中．射流内半径与液膜厚度比起稳定性的作用。     

高超声速喷管中水蒸气凝结的数值研究

我们针对高超声速燃烧加热风洞喷管流动的大扩张比、高马赫数、高低温气体并存和高水蒸气含量的特点,发展了兼顾高温气体效应与水蒸气非平衡凝结过程影响的有限体积计算方法,对伴随水蒸气凝结的喷管流动的机理开展了数值研究.计算中,凝结模型采用Hill矩方法进行模拟.数值分析着重关注喷管进出口气流的参数变化.结果表明,燃烧加热风洞的凝结问题计算中,应考虑高温气体效应的影响,以保证结果的合理性;随总温、水蒸气含量等参数的不同,喷管流动中的凝结现象会呈现明显不同的特征,适量的水蒸气含量和较低的总温会使得凝结后的流场参数发生显著改变.     

压力比对高压SF6断路器喷口中冷态气流场影响的研究

为了辅助高压SF6断路器灭弧室的设计和优化,以拉法尔喷口结构为基础,对3种长度喷口结构下的冷态SF6气流场进行了数值计算和分析,通过对比压力与马赫数的变化特点,研究了上、下游压力以及喷口长短对气流场分布的影响.确定了3种长度喷口对应的临界压力比值,并着重分析了压力比与激波产生和运动之间的关系,讨论了物性参数所引起的计算误差.结果表明:不同长度的喷口结构,临界压力比不同,当上下游压力比低于临界值时,喷口中产生激波,反之则无激波产生;激波的位置随着压力比以及喷口的长度而变化;当喷口下游气体始终处于超音速流动时,出口压力与设定值无关,仅随着入口压力的增加而增大.此外,有效地导入气体属性能够降低数值仿真中的误差,提高仿真结果的精度.     

送粉气流对冷喷涂流场及粒子速度影响的数值模拟

通过建立二维数值模型,利用计算流体力学软件进行数值模拟,研究了送粉气流压力和温度对冷喷涂过程中流场及粒子速度的影响.结果表明:喷涂中不可忽略送粉气流对流场及粒子速度的影响;为将粉末注入喷管,送粉气流的出口压力不能小于出口处的主气流压力,但增大送粉气流压力会使得进入喷管渐缩段的送粉冷气体流量增大,从而排挤高温主气流,同时也降低喷管气体流动的滞止焓,导致喷管喉部声速减小,不利于粒子加速;增加主气流温度对粒子加速效果不明显,而增加送粉气流温度可有效提高粒子撞击基板的速度,进而提高粉末粒子的沉积效率.     

旋流对等离子体反应器内传热与流动的影响

为满足大气压气体放电热等离子体先进材料加工的要求,研究了当等离子体发生器出口处存在旋流流动时,旋流效应对有反向载气注入条件下等离子体反应器内传热与流动特性的影响.在所研究的参数范围内的计算结果表明:旋流对等离子体的轴向运动有抑制作用,且有助于强化等高子体射流与反向载气的混合,从而影响反应器内的传热与流动特性以及发生器出口与反向载气喷营出口之间所形成的滞止平面的位置;而且随着旋流数的增加,旋流对等离子体轴向运动的抑制作用也会增强.     

用应力模型计算旋风分离器的流场

采用一种适合于强旋流的代数应力湍流模型对旋风分离器的流场进行了数值模拟，结果揭示了强旋流中湍流各向异性的特点，显示了强旋流所具有的涡结构及旋风分离器气动分离的机理     

Ma数对后掠机翼流动非线性失稳的影响

横流非线性失稳是导致后掠机翼流动湍流转捩的主要因素,而目前大部分的研究都集中在不可压缩流动.首先,本文采用非线性抛物化扰动理论分析了来流Ma=0.1,0.7,1.5,2.0条件下,后掠机翼流动的非线性失稳过程.计算结果表明来流Ma数激励了横流涡的发展,增加了饱和横流涡的流向涡量,并且来流Ma数增加,使得饱和横流涡趋近壁面.其次,通过对饱和横流涡二次失稳的分析,本文计算结果表明来流Ma数增强了饱和横流涡的二次失稳,并且在亚声速来流条件下,二次失稳"z"模态占优,而在超音速来流条件下,二次失稳"y","z"模态同时占优.