木屑颗粒堆积参数对液体渗流特性的影响规律

为了探究木屑颗粒堆积参数对液体渗流特性的影响规律,参照达西渗流实验,设计开发了渗流实验系统,选取颗粒床层湿度、渗流速度、床层储水量及透水率作为评价颗粒床层内液体渗流特性的指标,在对各因素进行初步筛选的基础上,实验研究木屑颗粒堆积床层的粒径分布、压缩高度比以及渗透压力(注水量)对液体渗流特性的影响.实验结果表明,相同粒径分布,注水量为1500 mL时,压缩高度比从0.80降到0.50,木屑颗粒床层湿度变化幅值为3.32%;相同粒径分布,压缩高度比为0.50,注水量从1500 mL增加到3000 mL时,木屑颗粒床层湿度变化幅值为2.30%;相同压缩高度比和注水量,全粒径分布、不同级配粒径分布及小粒径分布时木屑颗粒床层最大湿度分别为54.4%、54.0%及53.7%,变化幅值为0.7%.在本文研究范围内,压缩高度比对颗粒床层湿度影响最大,初始注水量次之,颗粒级配影响最小.相同粒径分布,注水量为2000 mL时,压缩高度比从0.80降到0.50,木屑颗粒床层渗流速度变化幅值为18.92×10^(-4) m/s;相同粒径分布,压缩高度比为0.50,注水量从1500 mL增加到3000 mL时,木屑颗粒床层渗流速度变化幅值为1.08×10^(-4) m/s;相同压缩高度比和注水量,全粒径分布、不同级配粒径分布及小粒径分布时木屑颗粒床层最大渗流速度分别为20.7×10^(-4) m/s、15.4×10^(-4) m/s及18.2×10^(-4) m/s,变化幅值为5.3×10^(-4) m/s.在本文研究范围内,压缩高度比对颗粒床层渗流速度影响最大,颗粒级配次之,初始注水量影响最小.综合各类因素考虑,不同粒径级配的木屑颗粒床层,压缩高度比为0.70、注水量为2000 mL时木屑颗粒床层中的液体渗流特性较好,此时,床层湿度为52.5%,平均渗流速度为9.86×10^(-4) m/s,床层储水量为1149 mL,床层透水率为42.56%.相关结果可为后续可压缩性颗粒堆积物的存放以及水基灭火剂开发需要关注的参数提供指导.

化工管道运输技术发展现状与展望

管道是化工生产的“血管”,其服役工况往往伴随着高温、高压(差)、高流速等运行条件,含气液相变气-液-固三相局部流动条件,以及临氢、高氯、高硫及高酸的强腐蚀环境。输送介质理化性质的多样性、服役环境的严苛性以及损伤失效机理的复杂性对化工管道运输提出了更高的要求。文章主要回顾了国内外化工管道运输技术进展,结合高温高压工艺参数以及腐蚀、临氢、含固多相组分等介质特点,分析了不同性质输送介质给化工管道运输带来的技术挑战,从严苛复杂环境下管道设计理论、材料和监检测技术研发、管道智能化运维、管道标准规范建设方面提出了化工管道运输需要重点发展的方向,以期提升化工管道运输水平,满足新形势下化工管道运输的需求。

多喷嘴对置式煤气化炉激冷室颗粒运动及碰撞特性研究

多喷嘴对置式水煤浆气化技术是我国自主研发的一种洁净煤技术,具有转化率高、有效气含量高等优点.气化炉是煤气化工艺的核心设备之一,其主体结构包括燃烧室与激冷室两部分.燃烧室反应生成的粗合成气夹带固体灰渣颗粒进入激冷室液池,在气液两相湍流作用下与炉体发生碰撞,造成冲蚀磨蚀等破坏,对气化炉安全和长周期稳定运行造成影响.本文以多喷嘴对置式气化炉为研究对象,建立了激冷室三维物理模型;利用VOF多相流模型和DPM离散相模型研究了气液固三相流场,得到连续流场和不同粒径颗粒的分布状态;通过Fluent UDF对灰渣颗粒与炉体碰撞位置和碰撞参数进行了统计分析,得到激冷室内碰撞多发区域及破坏机理.研究结果表明:合成气进入激冷室液池中形成负浮力射流,动量逐渐衰减,最终改变运动方向而向上反折流动;不同粒径的颗粒在激冷室流场中的分布不同,粒径较小的颗粒气相跟随性更为明显,分布范围更广;颗粒粒径影响其与激冷室壁面主要碰撞区域,粒径为0.05 mm和0.1 mm的小尺寸灰渣颗粒碰撞主要发生在下降管下端;0.5 mm的大尺寸灰渣颗粒碰撞主要发生在激冷室炉体下部,在设计制造过程中要重点关注;分析碰撞角度发现各壁面碰撞破坏机理不同:下降管下端壁面主要是撞击磨损;激冷室炉体则是冲刷磨损和撞击磨损的耦合作用.

液-固下行循环流化床中的颗粒碰撞行为

设计并构建了一套冷模液-固下行循环流化床蒸发器,考察了颗粒对壁面的碰撞行为随轴向位置和操作参数的变化规律,以便更好地揭示循环流化床强化传热和防、除垢的机理。实验中,选用水和不同粒径的聚甲醛颗粒和玻璃珠作为工质,对不同颗粒加入量(0~2.0%)和循环流量(2.15~5.16 m^(3)·h^(-1))下的碰撞加速度信号进行了功率谱密度、峰度和标准偏差等频域和时域分析。研究结果表明:液相和固相碰撞加速度信号的频率范围分别为0~2000 Hz和6000~16000 Hz。沿着下行床的轴向位置从上到下,颗粒对壁面碰撞加速度信号的标准偏差先减小,后增大;峰度增大。随着颗粒加入量和循环流量的增加,标准偏差增大,峰度减小。颗粒加入量较低时,标准偏差随着聚甲醛颗粒粒径的增加先减小、后增大;而峰度随着粒径的增加明显增大。颗粒加入量较高时,标准偏差和峰度随着粒径的增加而增大,但增大的幅度较小。玻璃珠的标准偏差较小,但峰度明显高于聚甲醛颗粒。构建了操作参数对颗粒碰撞行为影响的三维图。研究结果有助于促进流化床换热防垢节能技术的工业化应用。

倾角对三相闭式重力热管传热性能的影响

开发并组装了可变倾角的三相流(V/L/S)闭式重力热管(THPCT)。实验所用的工作流体为水,固相工质分别为碳化硅(SiC)、聚甲醛(POM)和玻璃珠颗粒,考察了倾角(0°~30°)、颗粒类型以及加热功率(100~300 W)对THPCT传热性能的影响。研究结果指出,SiC和POM颗粒在4个倾斜角度下均能够明显改善重力热管的传热性能,总热阻减少率最大分别为25.7%和39.4%,所对应的条件均为Q=100 W和θ=30°;而玻璃珠颗粒恶化了重力热管的传热。TPCT和THPCT的总热阻均随倾角的增加而波动;加热功率的增加导致总热阻减小,但其程度不断降低。蒸发段和冷凝段的对流传热系数也均随着倾角的增加而波动;加热功率对冷凝段传热的影响比蒸发段更为显著。在大多数情况下,碳化硅或聚甲醛颗粒可以强化蒸发段和冷凝段的传热;玻璃珠颗粒的加入有利于蒸发段的传热,但基本上不利于冷凝段。TPCT和THPCT蒸发段的传热阻力均明显小于冷凝段。加热功率增大,各倾角下蒸发段和冷凝段的热阻比率减小,但其程度不断降低。热阻比率一般随倾角的增加而波动,但不同倾角之间的差异随加热功率的增大而减小。碳化硅和聚甲醛颗粒的加入降低了热阻比率,而玻璃珠颗粒的加入增加了热阻比率。绘制了总热阻随操作参数变化的三维等高线图。

气-固循环流化床螺旋板式换热器的传热性能与压降

设计并搭建了气-固循环流化床螺旋板式换热装置,研究了空气流量(80~125 m^(3)·h^(-1))、颗粒加入量(0.5%~2.0%)和颗粒类型等操作参数对以恒温水作为热流体、空气作为冷流体、3种固体颗粒作为固相工作介质的循环流化床螺旋板式换热器传热性能和压降的影响。实验的结果显示,添加颗粒可以明显改善螺旋板式换热器的传热性能,但同时也会增大压降。在实验考察的操作参数范围内,强化传热效果最佳时的传热增强因子可以达到29.28%,此时系统内添加的颗粒为聚甲醛颗粒,空气流量为125 m^(3)·h^(-1),颗粒加入量为2.0%,但相应的压降比率也达到了20.86%。绘制了传热增强因子和压降比率的三维图以及综合影响雷达图,可指导工业应用。

冷却水流量对蒸发段上移的三相闭式重力热管传热性能的影响

本文将流化床换热防垢节能技术与两相闭式重力热管相结合,设计并构建了蒸发段上移的铜/水-碳化硅三相闭式重力热管.分别采用水和碳化硅颗粒作为液相和固相工质,考察了冷却水流量(50~75 L/h)、充液率(15%~30%)和加热功率(100~300W)等操作参数对闭式重力热管传热性能的影响.研究结果表明,碳化硅颗粒的加入可以明显地降低蒸发段上移的闭式重力热管的总热阻,强化传热.实验范围内,总热阻减少率最大为33.8%,相应的充液率为FR=20%,加热功率Q=200W,冷却水流量W=100 L/h.在较低的冷却水流量下,两相和三相闭式重力热管的总热阻随着冷却水流量的增加明显减小,然而,随着冷却水流量的进一步增加,总热阻减小的幅度降低.加热功率较低时,三相闭式重力热管的总热阻随充液率的增加先减小,后增大;加热功率较高时,总热阻随充液率的增加呈现出波动的趋势.构建了操作参数对总热阻减小率影响的三维图.研究结果有助于促进三相闭式重力热管的工业应用.

Na_(2)SO_(4)循环流化床蒸发器中的颗粒碰撞行为和传热性能

将流化床换热防垢节能技术和Na_(2)SO_(4)蒸发过程相结合,设计并构建了1套Na_(2)SO_(4)循环流化床蒸发装置。选用质量分数为20%的Na_(2)SO_(4)溶液作为液相工质,采用聚甲醛(POM)和碳化硅(SiC)颗粒作为惰性固体颗粒,考察了颗粒类型、颗粒加入量(1%~3%)、循环流速(0.37~1.78 m·s^(-1))和热通量(7.29~12.14 kW·m^(-2))等操作参数对于颗粒的碰撞行为和蒸发器传热性能的影响。研究结果表明,POM和SiC颗粒的加入均可以强化传热。实验范围内,POM和SiC颗粒的最大增强因子分别为9.5%和13.4%,所对应的操作参数分别为ε=1%,u=1.78 m·s^(-1),q=7.29 kW·m^(-2)和ε=3%,u=0.37 m·s^(-1),q=12.14 kW·m^(-2)。液相和固相碰撞加速度信号的特征频率范围分别为0~1000 Hz和6000~17000 Hz;汽相的产生可以显著增加其他相的碰撞强度。颗粒加入量增加,POM颗粒的标准偏差增大;SiC颗粒的标准偏差在循环流速较低时先减小、后增大,而在循环流速较高时增大。2种颗粒的流动沸腾传热系数受颗粒加入量的影响较小。循环流速增加,2种颗粒的标准偏差和传热系数均增大。热通量增加,2种颗粒的传热系数均明显减小。颗粒加入量较小时,2种颗粒的标准偏差随热通量的变化不明显。颗粒加入量较大时,POM颗粒的标准偏差随着热通量的增加而增大;SiC颗粒的标准偏差随热通量的变化受循环流速的影响。

非离子Gemini表面活性剂分子在水中的聚集行为

通过实验和耗散粒子动力学模拟相结合的方法,研究了非离子型Gemini表面活性剂在水溶液中的聚集行为和表面活性剂分子在水-气界面的分布情况。结果表明:10个环氧乙烷(EO)的α,α′-[2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇]双[ω-羟基-聚(环氧乙烷)](S-10)的单体和团簇共存于低浓度溶液中。随着浓度的增加,表面活性剂分子聚集成球状胶束且尺寸增大;当球状胶束的尺寸增加到一定程度时,它们不能稳定存在并聚集成棒状胶束。在水-气界面处,表面活性剂分子或垂直或水平分布,但是随着浓度的增加,疏水基团垂直插进空气,而EO段在水中呈不规则的锯齿形分布。随着EO链段长度的增加,S-4、S-10和S-30的最小吸附分子截面积逐渐增大,这就是随着表面活性剂的EO段长度增加而润湿性降低的原因。实验与模拟相结合的方法为研究非离子Gemini表面活性剂的聚集行为提供了新的思路,通过模拟结果可以快速判断实验的准确性。

黏度对二元混合液毛细蒸发选择性的影响

为了获得黏度对二元混合液毛细蒸发选择性的影响规律,结合CCD相机搭建了变径单毛细管蒸发装置,研究具有不同黏度的甲醇-水、丙二醇-丙三醇混合液的蒸发特性。结果表明黏度在0.399~0.822 mPa·s时,管口近液面Marangoni对流状态随黏度变化,进而影响二元混合液的毛细蒸发选择性。当黏度小于0.612 mPa·s时,甲醇-水混合液出现“先快后慢”的选择性蒸发现象,但选择性随黏度升高而不断下降。丙二醇-丙三醇混合液在低黏度(0.597 mPa·s)时也出现选择性蒸发。研究方法和结果为后续微型换热器用混合换热介质开发提供参考。

面内和面外约束相关的反应堆压力容器结构钢断裂性能及预测

构建实验室小尺寸试样得到的断裂韧性与工程实际含裂纹结构的关联是反应堆压力容器(RPV)结构安全评定的关键。以16MND5低合金钢为研究对象,采用理论、试验与数值分析相结合的研究方法,验证所提出的面外约束参数V_(33)在大尺度屈服下的适应性,结合面内约束参数A,发展三维面内和面外约束相关的断裂力学方法。结果表明:V_(33)作为面外约束参数,适用于量化从小尺度屈服到大尺度屈服下的面外约束水平;发展的J-A-V_(33)方法,通过与试验结果对比,证明是可行的;建立的面内和面外约束相关的16MND5钢断裂性能函数可以准确预测其他断裂试样的断裂行为。以上这些结果对RPV结构的设计、安全服役及结构完整性评估具有重要的意义。

考虑气泡非均匀耗散的矩形反应器声流场数值模拟及结构优化

声流效应能够有效强化声反应器内的传质过程,大型声反应器中声流驱动力主要来源于声波非线性耗散。以大型壁面式声反应器作为研究对象,采用考虑气泡非均匀分布的非线性声学模型预测声场,耦合声体积力求解三维声流场分布,通过粒子图像测速技术验证模型准确性,研究了超声功率、反应器宽度和液位高度对声流效应的影响规律。结果表明,提高超声功率能够显著提升声流效果,但密集的空化气泡会产生强烈的耗散,导致空化能量的转化率降低;狭窄空间严重阻碍声流发展,反应器空间过于宽阔无益于扩大高流速区域,反而会降低整体的声流强化性能,变化曲线表明40 kHz、60 W驱动条件下能达到最优声流效果的最佳响应宽度和高度分别在200 mm和100 mm左右。

面向冷能高效利用的管道关键技术与挑战

在“碳达峰、碳中和”战略背景下,冷能作为一种新型绿色能源得到广泛关注和重视。一系列新型冷能利用技术应运而生。然而,目前冷能产业面临利用率低、顶层规划缺乏、关键技术创新不足、规模化应用受限等难题。文章对冷能综合高效利用、低温材料、管道设备等关键技术进行总结与展望。管道系统作为冷能产业的重要基础设施,通过分析其工作状态、潜在风险与失效形式、关键技术等,明确冷能产业管道技术面临的挑战和冷能利用管道技术的发展趋势,提出面向冷能高效利用及其管道发展建议,以期为冷能产业高质量发展、高效稳定运行、安全保障和节能减排提供强力支撑。

多轴试验测试技术的发展与应用

相较于常规单轴力学试验,多轴试验可在复杂应力状态下取得材料更为全面的力学性能或对结构件寿命与失效机理进行更准确的评估。随着控制技术与测量技术的进步,多轴测试技术得以快速发展。近30年来,国内外学者通过设计各类多轴试验对材料的疲劳、断裂、冲压成型性能、各向异性行为、微观变形机制等进行大量研究,多轴试验日益成为交叉各学科的重要测试手段。多轴试验中材料的应力状态较为复杂且易产生应力集中,有限元分析是取得其应力应变分布、优化试样或结构件形式的有效方法。按试样与加载形式的不同,分别对拉扭多轴试验、面内双轴试验、拉/压-压力复合作用试验、土三轴试验的试验方法、发展历史及在不同领域内的应用进行介绍;以环形试样拉/压试验与埃里克森试验为例,介绍基于有限元分析的多轴试验方法;以汽车发动机部件的多轴试验方法为例,介绍多轴试验测试技术在工程结构件的设计与寿命评估方面的应用。