天然气液烃输送管道非平衡汽液相变及两相流动研究进展

天然气液烃(NGL)的主要成分是乙烷、丙烷、丁烷等低碳烷烃。在压力瞬变工况下,储运设备中的NGL汽液相变过程很难在瞬间达到热力学平衡状态,由此引发非平衡、非稳态的汽液两相流动。综述了NGL非平衡汽液相变机理及传热传质速率计算方法、非平衡汽液两相管流数学模型与数值模拟方法的研究进展。指出应着重开展以下三方面的研究:第一是采用实验和理论相结合的方法,探究NGL非平衡汽液相变的微观机理,建立汽液相间非稳态传热传质模型;第二是考虑非稳态传热传质过程与管道压力、温度、流速等参数之间的耦合作用,基于流体力学理论和非平衡态热力学理论,建立伴随非平衡汽液相变的NGL输送管道两相流动数学模型,研究模型的数值求解方法;第三是开发NGL输送管道仿真软件,揭示NGL汽液两相管流参数变化规律,为NGL输送管道的设计、运行和管理提供理论和技术支撑。     

注蒸汽水平井井筒内参数计算新模型

注入蒸汽在水平井筒内流动时,蒸汽沿着水平段的质量流量越来越小,且加速度压降不等于零,导致蒸汽的物性参数发生变化,而蒸汽物性对井筒内蒸汽的沿程参数分布有较大影响。依据质量守恒和能量守恒,建立了注入蒸汽干度沿水平段的变化方程,利用动量守恒原理,推导了沿水平井筒的蒸汽干度分布和压力分布计算公式,构建了摩擦力做功、湿蒸汽混合物密度、水平段吸汽量和井筒与油层之间的热传递计算模型,模型同时考虑了变质量流与蒸汽PVT参数的变化对计算结果的影响,采用按压力增量迭代的计算方法对模型进行求解。实例的模型计算结果与油藏数值模拟结果对比表明,新模型具有较高的计算精度。     

相变流体回路中毛细芯内液体气化界面的稳定性分析

通过分析液体气化界面位移与界面压力变化的物理机制,获得了相变流体回路中毛细芯内的界面位移及曲率变化与压力变化的关系式,导出了气液界面的稳定性判据．根据这一判据,并由所建立的丝网型毛细芯中界面位移的物理模型,得出了毛细芯内液体气化界面的稳定性曲线．文中的界面模型和稳定性判据,对分析和揭示毛细泵流体回路（CPL）、回路热管（LHP）和毛细芯热管（CHP）中毛细蒸发界面的位移机制和动力学稳定性,对预测毛细芯内液体的干涸以及系统运行的失稳乃至崩溃等,都具有一定意义．     

相变流体回路中毛细芯内液体气化界面的稳定性分析

通过分析液体气化界面位移与界面压力变化的物理机制,获得了相变流体回路中毛细芯内的界面位移及曲率变化与压力变化的关系式,导出了气液界面的稳定性判据.根据这一判据,并由所建立的丝网型毛细芯中界面位移的物理模型,得出了毛细芯内液体气化界面的稳定性曲线.文中的界面模型和稳定性判据,对分析和揭示毛细泵流体回路(CPL)、回路热管(LHP)和毛细芯热管(CHP)中毛细蒸发界面的位移机制和动力学稳定性,对预测毛细芯内液体的干涸以及系统运行的失稳乃至崩溃等,都具有一定意义.     

计算不同温度和压力下液体导热系数的新方法

根据液体导热系数的变化规律，发展了一种计算不同温度和压力下液体导热系数的新方法，该方法适用于非极性液体，根据液体和脂肪醇、水等含氢键液体。应用两参数方程对３９种物质２２９４个数据点的计算结果表明，在相当宽的温度范围（至临界温度）和压力范围（至２２０ＭＰａ）内，导热系数计算值都接近实验值，平均误差仅１．５３％；对１４种饱和液体２２６个数据点的计算结果表明，导热系数计算值与文献推荐值的一致性令人满意，     

碱金属热电转换的多孔芯内热质传输特性

对基于AMTEC(Alkali Metal Thermal to Electric Converter,碱金属热电转换器)的毛细多孔吸液芯建立轴对称恒温相变模型,通过求解多孔芯区及液体通道区热质传输控制方程得到毛细多孔芯中的流动与传热特性,分析了工质流量、入口温度、多孔芯厚度、孔隙率和有效孔径等参数对压力、速度和温度分布的影响;同时通过分析最大毛细力与回路压降之间的关系,给出了多孔芯有效孔径的适用范围和提高多孔芯性能的改进措施。研究结果表明：与三维两相流蒸发模型比较,文中的模型具有较好的预测准确性;以碱金属为工质的毛细多孔吸液芯和液体通道内的流动与传热特性与传统工质存在不同。     

CCPL启动特性的理论分析

建立了CCPL系统的瞬态理论模型,整个模型由相互耦合的热力学模型和动力学模型构成,在蒸发器中考虑了毛细芯与液体工质的非热平衡.运用热网络法模拟了CCPL系统的启动过程,分析了影响CCPL启动的几个关键因素.数值计算结果表明储液器中的温度及压力波动是引起CCPL系统启动失效的主要原因.     

地热能全流发电用两相单螺杆膨胀机理论膨胀过程热力特性研究

针对地热能发电技术存在的系统效率与热源利用率低的问题,对全流循环发电系统中替代传统汽轮机使用的单螺杆膨胀机进行了热力特性分析。基于质量守恒方程、能量守恒方程与湿蒸汽维里状态方程,建立了考虑液体闪蒸与气液平衡的单螺杆膨胀机理论全流膨胀过程的热力学模型,探索了进气温度与干度对气液两相工质状态及膨胀机热力特性的影响机理。结果表明：当进气温度由140℃升高至170℃时,湿蒸汽工质的质量、压力和温度均得到提升,单螺杆膨胀机的输出功率也由210 kW提升至约260 kW,等熵效率在进气温度为160℃时取得77%的最佳值;进气干度的提高会减少进入工作腔湿蒸汽工质质量,进而导致膨胀结束后介质压力与温度的降低,但显著促进了膨胀机的性能参数包括输出功率和等熵效率的提高,当进气干度为0.3时,单螺杆膨胀机的输出功率超过了500 kW,等熵效率也可达76.5%。上述研究结果对应用于地热能全流发电的两相单螺杆膨胀机的热力特性分析与改善以及全流发电技术的优化有一定的参考意义。     

混CO2气井相态特征

通过实验对不同含量CO₂天然气偏差因子、密度的相应高压物性变化规律进行相态变化研究,针对沿井筒相态的关键参数压力、温度等变化规律复杂,而多个参数关联起来变化可能性更多,不可能通过实验一一测定,对不同含量CO₂气井应用常规天然气井压力温度计算模型加不同CO₂含量状态方程修正偏差因子,从而通过数值方法对非线性方程编程计算压力温度分布,并进一步计算相态参数偏差因子、密度分布。通过相关实例研究混CO₂气井相态特征,得出混CO₂气井流动气柱时成饱和蒸汽相、不饱和蒸汽与气相分布;而静止气柱时成液相、液气过渡相、气相,呈现重上轻下的倒置现象,实验结果与相关油田测试结果比较,相态特征基本吻合。     

CCPL启动特性的理论分析

建立了CCPL系统的瞬态理论模型，整个模型由相互耦合的热力学模型和动力学模型构成，在蒸发器中考虑了毛细芯与液体工质的非热平衡. 运用热网络法模拟了CCPL系统的启动过程，分析了影响CCPL启动的几个关键因素. 数值计算结果表明储液器中的温度及压力波动是引起CCPL系统启动失效的主要原因.     

CPL蒸发器多孔芯传热传质特性的数值模拟

对不同热流密度下CPL蒸发器多孔芯内相变工质的流动与传热特性进行了数值计算研究．计算所采用的是加入了非饱和传热传质段的三层数学模型．计算结果表明,多孔芯内液相含量的变化十分明显,为将多孔芯的汽液相变区处理为非饱和多孔区提供了充分依据．当热流密度增加时,非饱和区域的厚度开始变薄,且在热流增大到一定程度后,干饱和区域的出现对整个多孔芯的传热传质产生了较大影响．     

顺风条件下木材表面火蔓延特性的实验研究

通过模拟实验方法研究了顺风条件下木材表面的火蔓延特性；连续观察和记录了木材表面的火蔓延行为，并利用温度示踪技术连续考察和分析了木材表面的火蔓延过程；分析讨论了木材在顺流条件下的火蔓延机理．同时，测量获取了不同木材表面在不同来流条件下的温度和火蔓延速率，为建立相应模型提供实验依据．     

竖置多孔填料床内热湿迁移特性研究

通过对气相达西阻力的定义,提出了更准确、更完善地反映多孔介质内部热质传递现象的“三态-六场”模型,并以此模型对竖置多孔填料床内的热质交换过程进行了数值模拟,分析了典型工况下填料床内部各物理量场的变化规律.计算及分析结果一方面表明了模型的可行性,另一方面也表明竖直多孔窗比水平多孔窗具有更好的蒸发制冷效果.     

新型平板式CPL系统的设计与实验

设计并研制了一种新型平板式CPL系统.在所设计的新型平板式CPL系统中,蒸发器和冷凝器均采用带有毛细芯的平板式结构.蒸发器的设计借鉴了LHP蒸发器的设计,在回流液体人口侧设计了由纵横十字槽道构成的液体补偿腔,以提高系统的稳定性以及高热流密度工作特性;冷凝器采用新型的三通道平板式结构,以改善系统的启动特性和稳定性.在系统的构成方面,贮液器通过两条通道和系统回路进行流体交换;贮液器和冷凝器相连;贮液器和回流液体管道相连.针对所设计的新型平板式CPL系统建立了试验系统,进行了启动和变工况等运行特性试验.实验证明:该系统在高、低热负荷下都具有可靠、简便的启动特性,稳定的变工况运行性能.     

二氧化碳在金属丝网的毛细动力学实验与分析

二氧化碳(CO2)作为制冷剂具有环保及良好的热力特性,已经越来越受到重视,并将率先应用在航天毛细驱动的两相循环冷却技术(CPL)和环路热管(LHP)中,但是由于它的工作压力较高,对其毛细动力特性研究还没有实验支持。文章的目标是通过实验测量CO2在不锈钢丝网爬升的动态结果,进行毛细上升的动力学分析,并将实验结果与几个经典的公式进行比较,找出最佳适用公式。     

利用喷射提高跨临界二氧化碳系统的性能

建立了跨临界二氧化碳蒸气压缩／喷射制冷循环中喷射器的数学模型，讨论了系统稳定运行时的蒸发温度、气体冷却器内压力及其出口温度、过热度等因素对系统性能的影响．结果表明，当工作流流量同扩压段出口蒸气流量相等时系统能够稳定运行．同时，升高蒸发温度能提高系统性能，但蒸气压缩／喷射循环相对简单循环性能系数的提高程度变小；气体冷却器内压力存在最优值，但降低压力能够增大系统性能的改善程度；升高气体冷却器出口温度会降低系统性能，但蒸气压缩／喷射循环相对简单循环性能系数的提高程度将先增大，然后迅速减小．与上述因素相比，过热度的影响很小．     

油船液货作业过程舱气状态实时仿真

采用大系统仿真的建模方法,将油船各个液货舱气相区作为节点置于液货气相管网中,构建一个大系统。在对液货气相管网采用管网有限元方法进行稳态建模和对油船所有液货舱气相区作为变质量系统实行动态建模的基础上,采用预报校正法来离散一阶非线性方程组,并根据工况特征来选择时间步长实现实时仿真各种液货作业中涉及船舶安全的液货舱气相区和气体管网系统中压力、温度、烃气浓度和氧浓度等舱气物性参数的动态变化。仿真结果符合客观实际并通过实测数据得到了验证。仿真研究为油船液货舱气相区乃至整个液货舱的状态控制和液货作业优化提供了理论依据和途径。     

端部随从力作用下黏弹性悬臂输流管道的稳定性分析

在端部随从力和黏弹性的共同作用下输流管道可能会表现出更加丰富的动力学特性,研究了端部随从力作用下黏弹性悬臂输流管道的稳定性。管道黏弹性采用Kelvin模型,以Bernoulli-Euler梁模型为基础,建立了流动流体和端部随从力共同作用下管道的运动微分方程,采用Galerkin法对其进行离散。利用特征值分析了端部随从力、黏弹性系数与质量比对系统失稳临界流速的影响。通过计算得到了不同参数下复频率实部、虚部随流速的变化曲线,分析了各参数对管道振动特性与稳定性的影响。结果表明：端部随从力作用下黏弹性悬臂输流管道的失稳方式为颤振失稳;端部随从力的大小和方向对系统失稳临界流速有较大影响,增大端部随从力,系统发生失稳的临界流速会减小;增大管道黏弹性系数,系统发生失稳的临界流速会略微增加;增大质量比,系统发生失稳的临界流速也随之增大。     

回路振荡热管稳定运行条件及循环特性的热力学分析

以简单回路振荡热管为热力系统,通过热力学分析,导出了稳定循环的条件：蒸发端吸热量等于冷凝端放热量,且必须考虑耗散功的影响作用。推导出稳定循环过程的特征和热力学参量变化的规律,揭示了过程能量转换的特点。结果表明：吸（放）热过程包括潜热和显热,汽相比体积随压力的变化因素不可忽视;蒸汽干度和密度的变化与温度、压力同向,与流速相反;此过程中的能量转换是维持能量传递的重要条件。