基于微试样的长时服役电厂高温管道力学性能研究

采用小冲孔试验方法、显微硬度试验方法、金相组织分析方法对高温、高压工况下(服役温度为260℃±20℃、工作压力为27 MPa)服役11.5万h后的损伤15CrMo耐热钢管道进行材料研究。小冲孔试验结果表明,与无损伤15CrMo耐热钢管道相比,损伤15CrMo耐热钢管道的小冲孔最大载荷和最大位移下降率分别为5.6%和5.89%。显微硬度分析结果表明,损伤15CrMo耐热钢管道内表面1 mm范围内存在8%的显微硬度升高,这与其内表面经历了长时的高温氧化损伤有关。金相组织分析结果表明,损伤15CrMo耐热钢管道内壁处由于高温氧化腐蚀,存在一定的晶粒脱落,易出现微裂纹,造成管道开裂。综合评价结果为,高温下长时服役对15CrMo耐热钢管道力学性能的损伤程度有限,材料能够保持良好的强度与塑性性能,未发生显著的力学性能退化与脆化,但管道内壁处的高温氧化损伤需引起关注,研究结果可为电厂高温管道的结构完整性评价提供参考。

双层三窄叶旋桨搅拌槽内流场特性研究

以甘油-水溶液为流动介质,采用计算流体动力学和粒子图像测速技术相结合的方法,针对双层三窄叶旋桨搅拌槽,研究了旋桨参数离底距C_(1)、桨间距C_(2)及转速N对槽内流场特性的影响。结果表明,随着C_(1)的增大,下层桨叶的推动作用先增强后减弱,在C_(1)=0.25h(h为槽内液位高度)时槽底流体混合状态最佳。在C_(2)=0.24h时,上层旋桨影响区域形成高速涡旋,槽内两层旋桨桨叶间的流体流动状态最佳。在N=120 r/min时,槽内流体的湍动能及流速分布均较均匀,能耗较低。

2斜叶-框式组合桨釜内流场实验研究

为将2斜叶-框式组合桨高效应用于实际工程,课题组以不同质量分数的甘油-水溶液为搅拌介质,通过粒子图像测速技术(PIV)对该改进型框式组合桨搅拌釜内的流动特性进行实验研究,分析了桨间距、顶桨直径和搅拌介质黏度变化对釜内流场产生的影响。研究结果表明:随着桨间距的增加,2桨叶间流体的循环效果先增强后减弱,桨间距C_(2)=0.52H时2桨叶配合最佳;顶桨直径D_(1)=250 mm时形成2个涡合能力较好的涡流,此时釜内流体的整体混合情况较好;随着黏度的增大,2桨叶间扰动增强,整个搅拌釜内速度分布变得更加均匀,表明改进型框式组合桨更适用于黏度较高的溶液中。研究结果可为2斜叶-框式组合桨在聚酯合成工业实际工程生产中提供相关参考。

改进型三斜叶-Rushton组合桨槽内流场特性的粒子图像测速技术

通过粒子图像测速技术(PIV)对装配三斜叶-Rushton组合桨搅拌槽内流场进行了实验研究,在甘油-水溶液中研究了该组合桨在不同转速N、离底距C_(1)以及桨叶间距C_(2)时的槽内流场变化情况。研究结果表明:当转速N=100 r·min^(-1)时,上桨叶区的混合效果有所改善,桨叶间速度分布相对均匀;当离底距C_(1)=0.3H时,上桨叶区低速区域最小,搅拌槽内的混合效果达到最佳;当桨间距C_(2)=0.25H时,上桨叶区的低速区得到改善,混合效果有所提升,两桨叶间速度分布趋于平稳有利于混合和传质。

几种框式桨搅拌槽内流动特性的比较研究

用粒子成像测速(PIV)技术对传统框式桨、传统框式组合桨和新型框式组合桨的流动特性进行研究,对比了三种框式桨在相同工况下搅拌槽内的速度、流型和湍动能。结果表明:传统框式桨搅拌槽内流体流动以水平环流为主,在框式桨上方和框式桨中间区域流体流动不充分;传统框式组合桨搅拌槽内框式桨上方由于二折叶桨的作用使得框式桨上部流体流速变大,槽内流体上下部的流动得到加强,但在框式桨中心区域依旧存在流动死区;新型框式组合桨搅拌槽内两层桨叶间的连接流得到了加强,框式桨底部和中间区域物质和能量的交换更加充分。在考察的三种框式桨中,新型框式组合桨的混合效果更好。研究结果可为新型框式组合桨应用于化工合成工业中提供参考。

聚酯反应釜中流场的模拟与实验研究

对聚酯合成工业中的框式组合桨等比例缩小建立模型,基于计算流体力学(CFD)对该双层组合桨搅拌槽内流场进行模拟研究,并利用粒子成像测速(PIV)技术对模拟结果进行验证。搅拌槽内的速度由0.2 m/s变化到1.1 m/s的过程中,搅拌桨桨叶前方和后方的速度等值面同时向框式桨的叶端靠近,随着离底间距(C_(1))增大,搅拌槽上部区域的速度更加均匀,搅拌轴下方的低速区域逐渐缩小,搅拌槽底部的平均速度更加均匀。模拟和实验对比研究结果表明:离底距的增加使搅拌槽的上部和底部逐渐产生小的涡旋,利于上部和底部区域间的物料混合,但不利于槽内整体的物料交换。研究结果可为框式组合桨应用于聚酯反应实际工程提供参考。

改进型三斜叶-Rushton组合桨槽内流场特性研究

为将改进型三斜叶-Rushton组合桨高效应用于实际工程,通过计算流体动力学(CFD)对装配改进型三斜叶-Rushton组合桨搅拌槽内的流场进行了模拟研究,与三斜叶-Rushton组合桨进行了对比;并通过粒子图像测速(PIV)技术研究该组合桨槽内搅拌转速n、桨叶间距C2及离底距离C1的变化对流场产生的影响。结果表明当转速为100 r×min^(-1)时能有效改善槽底和上桨叶区域的混合效果,槽内速度分布相对均匀,实验结果和模拟结果吻合效果较好;模拟结果表明改进型三斜叶桨的泵吸效果较三斜叶桨更强,能有效缩小搅拌槽底部和内壁附近的低速区域,槽内混合效果更好;实验结果表明当桨叶间距为0.25h时,槽内速度分布更合理;当离底距离为0.3h时,上桨叶区的较低速区域进一步缩小。

带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内流场实验研究

通过粒子图像测速(PIV)技术对装配带稳定翼的四斜叶-Rushton组合桨搅拌槽内的流场进行了实验研究,研究了该组合桨釜内搅拌转速N、桨叶间距C_(2)和离底距离C_(1)的变化对流场的影响,并将该组合桨的釜内流场与四斜叶-Rushton组合桨的釜内流场进行对比。研究结果表明:转速N=110 r/min时,上层桨的稳定翼的切割推流作用表现明显,釜内上部分区域流速增大,有利于釜内介质的混合和传质;桨叶间距C_(2)=0.23h时,两桨叶配合更好,稳定翼的切割推流作用使釜内形成较好的流场;离底距离C_(1)=0.24h时,釜内上部分低速区域明显缩小,釜内速度分布合理;带稳定翼的四斜叶-Rushton组合桨釜内中心区域流场的混合传质能力较四斜叶-Rushton组合桨更强,且釜内上部分不易产生悬浮物,稳定翼结构对釜内流体的径向流动更有益。

新型框式组合桨层间距对釜内流场特性的影响

基于计算流体动力学(CFD)中的标准k-ε模型,对新型框式组合桨在釜内的不同层间距下的流动特性进行了模拟分析,并采用粒子成像测速(PIV)技术进行了实验对比研究。研究结果表明:釜内流场以框式桨内小二折叶桨为分界形成向上向下2个循环流;层间距对釜内流动特性影响较大,当层间距从C_(2)=0.47H增长为C_(2)=0.49H时,框式桨和近轴附近区域低速区大量消失;当层间距继续增加到C_(2)=0.53H时,两桨之间的连接流微弱,流体流型开始变得紊乱,低速区面积急剧增大。在4种工况中,层间距C_(2)=0.49H时整个搅拌釜内流场特性最有利于釜内物料的混合。研究结果可为新型框式组合桨在聚酯合成工业实际工程生产中提供相关参考。

三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验

对应用于聚乙烯聚合反应中的三叶后掠-HEDT组合桨的搅拌釜内流场进行了模拟研究,分析组合桨的离底距C1、桨间距C2以及转速N的变化对搅拌釜内流场的影响,利用PIV实验对模拟结果进行了验证;将该组合桨与三叶后掠-六直叶圆盘涡轮组合桨进行了模拟对比研究。结果表明:当桨间距与釜内径的比为0.35时,釜内桨叶间的流体流动效果最好,该条件下能够改善搅拌釜上层流体的速度分布;当离底距与釜内径的比值为0.29时,组合桨下方出现了整体的环流,有利于釜底流体的混合;桨叶转速N=90 r/min时釜内流体速度分布均匀,同时上层HEDT桨叶产生的射流方向趋于水平。两种组合桨的对比研究表明:二者流型相近,但前者搅拌功率能够得到明显降低。研究结果可为三叶后掠-HEDT组合桨在聚乙烯聚合反应釜中的工程应用提供参考。

涡轮桨搅拌槽内流场特性的V3V实验

用体三维速度测量技术（volumetric three-component velocimetry measurements,V3V）实验研究了涡轮桨搅拌槽内桨叶附近流场。通过速度数据得到三维流场特性,确定尾涡三维结构;分析了叶片后方30°截面轴向、径向和环向速度沿径向分布规律;对比了V3V和2D-PIV（particle image velocimetry）径向和轴向速度,发现速度分布吻合较好,特别是尾涡所在的射流区。用2D-PIV方法对尾涡发展规律进行研究,发现受流体自由液面影响,尾涡轨迹向上倾斜,并与水平方向成10°,上、下尾涡运动轨迹不对称,下尾涡运动比上尾涡稍快,衰减亦较快,这与V3V实验结果一致;叶片后方60°尾涡依然清晰可见。用V3V和2D-PIV方法对桨叶附近湍流各向同性假设进行了分析,发现桨叶区和尾涡所在位置湍动能被各向同性假设近似法高估了25%～33%,桨叶区和尾涡所在位置趋向于各向异性。

涡轮桨搅拌槽内湍流特性的V3V实验及大涡模拟

分别用体三维速度测量技术(volumetric three-component velocimetry measurements,V3V)和大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法对涡轮桨搅拌槽内流场进行研究,发现在完全湍流状态下,涡轮桨搅拌槽内流场的量纲1相平均速度及湍动能分布同Reynolds数无关。用V3V方法实现了Rushton桨叶附近三维流场的重构;探讨尾涡的三维结构及运动规律;分析了叶片后方30°截面轴向、径向和环向速度沿径向分布规律。用V3V实验结果对比了2D-PIV(particle image velocimetry)数据中的尾涡涡对位置和涡量,涡对位置吻合度较好,但2D-PIV中涡量较V3V小37.5%;通过大涡模拟得到完整的尾涡结构,发现在叶片上边缘后侧存在一个和尾涡形成方式相同但不成对出现的涡结构;将大涡模拟结果和2D-PIV及V3V实验结果对比发现,大涡模拟在速度分布及尾涡运动轨迹方面均同实验结果吻合较好,表明大涡模拟能较好地预测涡轮桨搅拌槽内流场。

改进型INTER-MIG桨尾涡结构的PIV试验与模拟

采用粒子图像测速(PIV)技术和计算流体力学(CFD)对改进型INTER-MIG桨釜内尾涡结构进行研究,将数值模拟结果与PIV试验进行了比较,分析了几种湍流模型的差异;利用2D-PIV对尾涡结构进行涡量分析,并探讨桨叶直径对尾涡的影响,以及尾涡与湍动能之间的关系.结果表明:LES对尾涡的预测优于Reynolds平均法;改进型INTER-MIG桨在运动过程中产生运动轨迹不对称的上下尾涡,桨叶下尾涡先于上尾涡形成,下尾涡最大涡量高于上尾涡;在尾涡形成到发展至最大的过程中,桨叶直径对下尾涡的径向位移影响较大,在桨叶直径D/T=0.57时,桨叶下尾涡沿径向方向运动最快,湍动能最大;当尾涡开始衰减后,桨叶直径越大,尾涡耗散的速度越快;湍动能最大值介于两尾涡之间,且伴随着尾涡的发展而增大,随其衰弱而减小.研究结果表明改进型INTER-MIG桨釜内的搅拌机理,可以为该桨叶釜内的工程应用和优化设计提供有价值的参考.

双层侧进式搅拌槽内流场特性数值模拟

采用计算流体动力学方法对烟气脱硫过程中吸收塔浆液池的流场特性进行了数值模拟研究,分析了相同转速下双层侧进式搅拌器安装水平偏角θ、竖直偏角φ、离底高度C1和层间距C2对搅拌槽内流场的影响。模拟结果表明,安装双层侧进式搅拌器能够增强流体的上下流动,在θ=5°、φ=10°、C1=0.13m和C2=0.5m时搅拌槽内流场分布相对较好。模拟计算出的搅拌器功率准数Np与理论公式计算值相比最大误差为3.1%,验证了数值模拟方法的准确性。研究结果可为该类搅拌槽的设计和优化提供参考。

改进型INTER-MIG桨搅拌槽内流场的PIV实验

采用粒子图像测速技术(PIV)研究了双层改进型INTER-MIG桨搅拌槽内的流场,考察了流体粘度?、桨叶转速、底桨尺寸对流场的影响.结果表明,?<962.5 m Pa·s时随粘度增大,局部涡流增多,对整体混合有利;?=962.5 m Pa·s时形成2个涡合能力差的涡流,对整体混合不利.Re=459~918时,桨叶转速增加对叶端处无因次化速度无影响,随流体远离桨叶,无因次化速度随桨叶转速增大而增大.底桨尺寸增大对无因次化径向速度影响较小,对底桨所在区域无因次化轴向速度影响较大,底桨尺寸满足桨槽直径比D/T=0.57时无因次化轴向速度最大,湍动能最大,搅拌功率随底桨尺寸增大而增大.