静止液态甲烷饱和单液滴蒸发模拟

经典液滴蒸发模型无法适用于LNG制冷剂在其蒸气中的蒸发过程模拟。采用数值模拟方法,建立静止饱和甲烷液滴在其蒸气中蒸发的新模型。利用该模型对液滴蒸发过程进行计算。结果表明:模型计算结果准确可靠;气液界面蒸气喷出速度与液滴半径成反比,与温差成正比;"吹拂效应"使温度边界层变厚,热流密度减少;温差为190 K、半径为0.5 mm工况下,"吹拂效应"影响最剧烈,使温度边界层增厚28.8%,热流密度减小27.7%;质量蒸发率随温差以及半径增大而增大且与半径、温差之间具有一定的数学关系。     

正十二烷单液滴在含乙醇氛围中的蒸发特性

考虑液滴与环境气流物性瞬态变化的单液滴非平衡蒸发,建立了模型,研究正十二烷液滴在含乙醇氛围中的对流蒸发过程,获得环境参数(环境温度、压力、对流强度、环境气体中乙醇蒸气和水蒸气质量分数)对液滴蒸发特性的影响规律.计算结果表明:环境因素中影响液滴蒸发的主要因素是环境温度、环境压力和对流强度,乙醇蒸气和水蒸气质量分数对液滴蒸发特性几乎没有影响;环境温度和对流强度的增加,有利于液滴蒸发;对初始温度较低的燃料液滴,环境压力对蒸发的影响与环境温度、气流相对速度相关;在一定的热环境参数下,压力效应发生逆转;增加液滴周围气体中乙醇蒸气质量分数和降低水蒸气质量分数,会加速液滴蒸发,液滴寿命略微缩短.     

基于大涡模拟的液滴蒸发液相传热过程

建立了燃油液滴蒸发瞬态气液两相流大涡模拟流体体积(VOF)模型,综合考虑了气液两相流流场,气液相界面的温度梯度和浓度梯度等因素,研究了气液相温度梯度和雷诺数对液滴液相传热的影响.研究结果表明:随着温度梯度的增大,液滴温度显著提高,温度梯度越大,液滴温度增加幅度越大;雷诺数不仅能够影响液滴周围流场的分布,而且还引起液滴内部温度场分布的变化;随着雷诺数的增大,液滴内部加热区域逐渐均匀,雷诺数越大,液滴的温度越高.     

匀强电场下分散相液滴的聚并

为了探究运行参数对分散相液滴的运动、聚并过程的影响,采用VOF(volume of fluid)方法捕捉分散相与连续相的流体间界面,利用漏电介质模型模拟均匀静电场,研究了电场强度、液滴粒径、液滴表面间距和液滴相对位置(液滴中心连线与电场强度方向夹角)对处于均匀电场中离散相多液滴聚并行为的影响,通过理论分析了液滴聚并过程影响因素,并与数值计算结论进行了对比.结果表明:分散相液滴聚并效率与电场强度、液滴粒径比、液滴表面间距以及液滴的相对位置有关;随着电场强度的增加,液滴的聚并效率显著增强;随着液滴表面间距以及液滴相对角度的增大,聚并效率有所降低;液滴粒径比对聚并效率亦产生影响,当液滴粒径差距较大时,液滴的聚并效率有所降低;电场强度对聚并过程的影响较为复杂,当外加电场强度持续增大时,液滴难以发生聚并,液滴被拉长后产生破碎或者弹开现象,存在阻碍液滴聚并的临界场强.     

可调节双介质外混式喷嘴雾化特性的数值模拟

以采用蒸汽工质的某双介质喷嘴为研究对象,通过构建离散相模型,开展不同工况下的喷嘴雾化数值模拟计算,研究不同蒸汽入口压力与不同针阀开度对喷嘴雾化特性的影响。结果表明：雾化液滴的空间分布受喷嘴非对称进气结构的影响,在滚筒腔体内呈现非对称分布;雾化液滴粒径随空间位置变化显著,在雾化范围外部的液滴粒径最大,在雾化空间内部液滴粒径较小,约为1μm;随着蒸汽入口压力的增大,雾化液滴平均粒径减小;随着气液相对速度的增大,液滴最大粒径与平均粒径均减小,雾化效果显著改善。     

利用矩阵风扇改善散热器冷热介质温差场协同性

基于传统乘用车的冷却模块共设计了5种矩阵风扇,利用数值模拟技术分析矩阵型式不同以及冷却空气流量不均匀对散热器换热性能和场协同数的影响.结果表明:采用矩阵风扇能够增加散热器的冷热介质温差场协同数,散热器换热量和冷热介质温差场协同数存在显著的正相关性;当通过散热器的冷却空气流量分布不均匀时,散热器换热量明显下降,且随着转速比的增加,换热量的降幅逐渐减小;散热器芯体不同区域冷却空气流量的变化对散热器换热性能的影响权重不同,当低温区对应的冷却空气流量较大时,散热器换热量以及温差场协同数的降幅增加.     

CeO2纳米燃油单液滴蒸发数值模拟研究

基于单液滴蒸发可视化试验,应用ANSYS FLUENT计算流体力学模拟软件,建立纳米燃油单液滴蒸发模型,探究纳米粒子质量浓度和粒径对燃油液滴蒸发过程中温度和燃油蒸气质量浓度的影响. 结果表明,纳米燃油液滴中的纳米粒子质量浓度越高、粒径越小,燃油液滴的蒸发平衡温度越高,相同时间内的燃油蒸气气相体积分数越高. 在环境温度573 K下,纳米燃油液滴从外界环境吸收热量使自身温度不断升高,在计算域内沿液滴表面向外延伸形成质量浓度边界层和温度边界层,促进液相向气相的转化.在蒸发初始阶段,蒸发速率较低,燃油蒸气气相体积分数较小;随着蒸发过程持续进行,由于纳米粒子增强传热传质的作用,液相组分蒸发汽化加快,液滴蒸发速率加快.     

液滴在燃煤细颗粒表面凝结的长大动力学特性

为了研究液滴在燃煤细颗粒表面的长大动力学特性,实验测量了水在不同燃煤细颗粒表面的接触角θ,考虑液滴在燃煤细颗粒表面长大的2种作用机制:细颗粒表面水汽的直接扩散凝结和颗粒表面吸附水扩散凝结,对燃煤细颗粒表面单液滴的长大动力学进行了研究.数值讨论了燃煤细颗粒粒径、蒸汽过饱和度、蒸汽温度、液滴半径和颗粒表面润湿性对单液滴在燃煤细颗粒表面长大速率的影响.结果表明:当颗粒粒径小于0.5μm时,液滴的长大速率随着燃煤细颗粒的增大迅速增大,当粒径大于0.5μm时,长大速率随着粒径的增大缓慢增长;液滴的长大速率随着过饱和度上升呈指数倍增长,但是随着蒸汽温度的上升而呈现下降的趋势;液滴的长大速率开始随着液滴半径的增大而急剧下降,长大到某一半径后下降的趋势变缓;当0≤cosθ≤0.8时,长大速率随着润湿角余弦值的增大而平缓地增大,当0.8≤cosθ≤1时,长大速率会随着润湿角余弦值的增大而急剧增大.     

低温多效蒸发海水淡化装置中流动阻力对传热温差的影响

为了确定低温多效蒸发(LT-MED)海水淡化装置中流动阻力对传热温差的影响,基于考虑阻力损失的LT-MED热力过程数学模型,计算了各项流动阻力引起的温差损失在装置各效蒸发/冷凝器中的分布,分析了蒸发/冷凝器数量、平均表观传热温差对阻力引起的传热温差损失的影响。结果表明:平均表观传热温差一定时,每效蒸发/冷凝器内各项阻力随蒸发/冷凝器序列数的增加先减小后增大,相应温差损失逐渐增大;随蒸发/冷凝器数量增加,管内凝结和除沫器流动阻力引起的温差损失所占比例均上升,而管束流动阻力呈下降趋势;装置中阻力引起的传热温差损失比例随蒸发/冷凝器数量增加、平均表观传热温差增大而增大,且相当可观,对装置性能的影响不可忽视。     

单液氮液滴在气流中的蒸发运动特性研究

为了研究低温风洞中液氮喷雾降温蒸发特性,从而从微观上把握整个喷雾过程,以经典蒸发模型为基础,建立了适用于高速气流下的单液滴蒸发模型,计算了高速气流下单个液氮液滴的蒸发过程,得到其蒸发过程中液滴直径、速度、蒸发速率等参数的变化规律,并比较了环境温度、环境压力、气流速度等不同因素对各参数的影响。结果表明:环境温度对液滴蒸发速率影响较大,在100~300K环境温度下,每升高100K,2m的距离内液滴相对蒸发量大约增加18%,而对液滴运动速度则基本没有影响;气流速度越大,对流换热越强,液滴等时间蒸发速率越大,但由于蒸发距离一定,高速气流情况下的实际蒸发量减少,在上述条件下,10~30m/s的速度范围内,相对蒸发量在5%~6%;大粒径液滴具有大的绝对蒸发量,而小粒径液滴的相对蒸发量则较大;随着环境压力的增大,蒸发速率会随之增加。     

开式通道内液氮喷雾的降温特性

为了研究液氮喷雾参数对环境模拟空间温度分布的影响,首先搭建了由液氮喷雾系统和低温测试系统构成的开式通道液氮喷雾冷却实验系统,利用CFD软件针对开式空气回路系统中实验段建立了三维液氮喷雾数值模型,采用欧拉-拉格朗日方法进行液氮喷雾模拟研究,最后进行了实验验证,分析了喷雾质量流量、粒径、喷嘴数量和气流速度对液氮喷雾蒸发和空间温度分布的影响。研究结果表明:随着液氮喷雾液滴直径的减小,液氮与环境气流的换热面积增加,换热效率提高,降温效果改善;当液氮喷雾质量流量增加时,单位时间内喷入空间的液氮量越多,蒸发率越大,冷却效果越好,空间及出口截面的温降越大,但降温速率的增加趋缓;随着喷嘴数量的增加,液氮蒸发量和蒸发率增加,降温效果改善,出口截面温降增加,但出口截面温度分布均匀性会受到喷嘴布置位置的影响;当喷嘴数量增加到一定程度时,液氮的蒸发和降温几乎不受影响;随气流速度增大,液氮的蒸发量和蒸发率逐渐减小,出口截面的平均温度较高。为了增强液氮的蒸发量并强化空间的降温效果,可增加液氮喷雾流量、减小喷雾粒径和气流速度,以及适当增加喷嘴数量,同时需考虑多喷嘴的布置位置。     

细水雾室外环境降温效果的数值模拟

利用CFD 软件Fluent的Realizable k-ε模型和离散相模型对不同液滴粒径的细水雾室外环境降温效果进行数值模拟,模拟了夏季室外大空间环境中的细水雾弥散输运过程和传热传质特性,获得细水雾气液两相流动的流场、温度场和湿度场的分布情况,并对某工况的降温效果进行人体舒适度指数预报.模拟结果表明,小粒径液滴主要在射流的起始段和过渡段中蒸发,大粒径液滴在射流的核心区与回流区中蒸发;增大液滴直径后,细水雾的蒸发时间延长,细水雾降温效果增强,降温影响空间扩大.不同身高的人群均可以感觉到明显的降温作用;增大液滴直径后,细水雾增湿范围扩大,增湿幅度基本不变,不会造成局部环境相对湿度的明显增加;细水雾室外环境降温可以有效降低人体舒适度指数,有效改善室外环境质量.     

发动机爆震室气液两相爆轰性质

利用爆轰波产生周期性冲量是脉冲爆震发动机推进系统的关键.建立非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型,以正庚烷液体燃料为例,采取高分辨率的MUSCL(monotonic upwind scheme for conservation law)格式,针对发动机爆震室气液两相爆轰的热力、动力学性质展开数值研究,计算所得的爆轰波压力与实验结果较为一致,且基于较小粒径的燃料液滴(25μm),计算爆轰波C-J(Chapman-Jouguet)状态对应的爆轰参数与理论值接近,验证了建立的模型和研究方法是正确的.同时,讨论爆轰管内燃料液滴粒径对爆轰波参数的影响.结果显示,在均匀预混时,液滴破碎蒸发域宽度仅与燃料初始粒径有关.随着燃料初始粒径的增大,液滴破碎蒸发域宽度增加,且两者存在线性关系.同时,当燃料初始粒径从25μm增大至100μm,爆轰波反应区宽度增大了240%,而爆轰的压力峰值从7.08 MPa降低至5.14 MPa.     

离子风作用下液滴的振荡蒸发特性

设计搭建了离子风作用下液滴蒸发试验装置,研究了不同电场和环境气体中去离子水液滴的蒸发速率、振幅和振荡频率等动态蒸发行为参数,并测量了离子风的流场速度分布.结果表明：当电压低于起晕电压时,电场力会降低液滴蒸发速率;当电压高于起晕电压时,离子风的形成会强化液滴蒸发;电压和气体离子迁移率的增加均会提高离子风的风速,加剧液滴振荡,提高液滴蒸发速率;相比液滴自然蒸发,离子风作用下液滴蒸发速率的最大增强比可达9.89;随着电压增大,离子风从不稳定状态转变为稳定状态.     

剪切作用下液气相分离的格子玻尔兹曼模拟

采用Shan-Chen格子玻尔兹曼模型来研究在剪切边界条件下液体和气体的相分离. 除了液气相分离的流变学特征外, 还分析由于两流体界面的切向速度差引起的Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性, 并讨论液滴的生长情况. 发现, 在靠近剪切壁的区域流动效应较强, 而在系统中部液滴基本上是各向同性的, 特征尺度的增长以扩散机制为主; 界面张力和K-H不稳定性的共同作用使得剪切壁附近的液体带倾向于发生断裂; 随着剪切率的增加, 来流方向蒸发和下游方向凝结的不对称性以及表面张力的作用, 使得相分离过程中液滴可能呈斜条带状结构; 更强的对流使得壁上更容易获得物质粒子而形成液滴.     

全铝无接触热阻冷凝器的建模与性能测试

采用分布参数法建立了空调系统全铝无接触热阻冷凝器的稳态计算模型,并用空气焓值法对全铝无接触热阻冷凝器试件进行了性能测试实验;通过与实验结果的对比,验证了该数学模型的计算精度——在相同工况下,该冷凝器计算模型的换热量最大误差为4.8%,气侧压降最大误差为6.7%.用建立的模型分析了冷凝器结构尺寸变化对其换热性能和压降的影响.采用冷凝器综合性能因子ε来综合考虑换热量和气侧压降对冷凝器性能的影响.结果表明:全铝冷凝器的换热量随内流道宽b′的增大而减小;全铝冷凝器的换热量随翅片管数n的增大而增大;全铝冷凝器换热量随翅片管宽度a的增大而增大;当翅片管宽a为40 mm,翅片管数n为22,内流道宽度b′为1.4 mm时,冷凝器的换热量最大,为3 423.2 W,空气压降为19.15 Pa;全铝冷凝器换热系数随着翅片管宽的a的增大先增大后减小,在翅片管宽a为38 mm时取得最大值;换热系数随着翅片管数n的增大而增大;冷凝器综合性能因子ε随着翅片管宽a的增大先增大后减小,随着翅片管数的增大而增大.     

涡流对船用柴油机喷雾燃烧及排放影响的数值研究

涡流对船用柴油机的喷雾燃烧及排放过程起着至关重要的作用.基于雷诺平均模拟方法(RANS)结合KHRT液滴破碎模型和CTC/Shell燃烧模型研究了涡流对船用柴油机喷雾燃烧及排放的影响.首先对重油喷雾进行标定,标定后模拟贯穿距与实验数据吻合较好;然后基于验证的喷雾模型,通过对比环境涡流下不同喷射角的喷雾形态、贯穿距、燃油蒸发质量和液滴平均粒径(SMD),研究了涡流对重油喷雾的影响.结果表明,涡流方向与喷雾方向相反或垂直时,涡流作用力可抑制喷雾轴向贯穿距的发展,增加了液滴与环境气体的相互作用进而促进喷雾雾化和蒸发;涡流与喷雾相切时,涡流可以促进喷雾轴向贯穿,但喷雾蒸发较差.进一步对CTC/Shell燃烧模型进行标定,标定后模拟放热率与实验数据吻合良好.最后基于验证的喷雾燃烧模型,研究了涡流比对船用柴油机喷雾燃烧和排放的影响.结果表明:一定范围内随着涡流比增大,喷雾液滴更加分散,喷雾气相蒸发加强,导致缸内燃烧更加剧烈,缸内最高爆发压力和最高温度升高,氮氧化物(NO_x)排放增多.     

直流电场作用下微米级液滴碰撞聚结研究

润滑油在工业中的有着重要作用,但其中的水分会影响设备性能和使用寿命。传统的水分去除方法效率低、成本高。静电脱水技术可以通过电场作用将水润滑油中从分离出,利用电场促进油水液滴的碰撞和凝聚,具有快速、高效、环保等优点。本论文利用COMSOL软件对油包水乳液中两个液滴的碰撞聚集进行数值模拟,研究微米级液滴直流电场作用下电场强度、温度、粒径、和液滴间距等因素对碰撞和聚结行为的影响规律,研究表明随着电场强度增大,液滴聚结时间快速变小,但电场强度超过一定值时影响减弱;随着温度的升高,液滴聚结时间先急剧减少,到一定值后基本趋于稳定;随着粒径增大,液滴聚并总时间随液滴直径先缓慢增加,当粒径超过一定值时急聚增加;随着液滴间距增大,聚结总时间不断增大,本文为静电脱水的机理研究提供理论依据,为高效破乳脱水装置的设计提供技术支撑。     

直通式真空集热管的热性能研究

为了研究直通式真空集热管内的换热特性以及影响集热管性能的因素,建立从吸收管到外界环境的不同阶段的传热数学模型,对每个传热阶段进行分析与计算;当吸收管内外表面温度一定时,导热量随着壁厚度的增加而减少,吸收管外径与内径比为1. 05时的导热量只有1. 02时的1/3;吸收管的导热系数与吸收管自身温度有关,单位温差下吸收管温度每提高100℃,导热量就会增加约163 W/m;吸收管与玻璃管之间对流换热量主要受环形区域压力影响;辐射换热量受吸收管外表面温度影响较大,金属吸收管的发射率会随着温度提高而增加;玻璃外管温度越高,环境温度越低,辐射换热量越大;环境风速的增加会强化对流换热系数,增加热损失.     

湿法脱硫塔内脱硫浆液运动特性

为了分析湿法脱硫塔运行中所存在的问题,以600 MW机组湿法烟气脱硫喷淋塔为研究对象,使用数值模拟方法对塔内两相流场进行研究,获得湿法脱硫塔内流场分布以及不同粒径液滴的运动轨迹、逃逸率及停留时间。研究结果表明:2 mm以上粒径液滴在塔内分布较均匀,1 mm以下粒径液滴运动受流场影响明显,使其数量分布集中于塔内低速区;当液滴粒径小于0.2 mm时,逃逸率几乎为100%;当液滴粒径大于0.2 mm时,液滴逃逸率曲线随着粒径增大迅速减小,直至当逃逸率为20%时,逃逸率曲线开始缓慢下降;随着粒径的增大,液滴停留时间曲线具有峰值,且该峰值粒径也是在逃逸率曲线中开始缓慢下降处的粒径;流场不均匀性导致0.8 mm以下粒径液滴逃逸率降低,0.8 mm以上粒径液滴逃逸率增大,同时导致下落液滴停留时间减少。