浮式氢能储运过程中FLH2通道管外降膜流动的海上适应性强化机理

随着海上风电和天然气制氢技术的发展,以氢能作为媒介的深海能源互联互通体系正不断完善。液态氢储运是实现海上氢能大规模运输和利用的有效方法,揭示海况条件下降膜流动机理是实现浮式氢能高效储运的关键。本文基于高速摄像系统和晃荡平台系统,同时基于耦合的VOF和Level Set两相流模型和动网格技术,采用浮式微观可视化实验和数值模拟相结合的方法,研究氢能储运过程中FLH_(2)(浮式氢气液化装置)换热通道管外降膜流动的海上适应性强化机理。研究结果表明,与常规光圆管、螺纹波管和方波管相比,波纹管管外降膜流动的液膜均匀性较好。在海况下波纹管间降膜流动流型稳定,并且均未出现管壁表面干涸的现象,因此在浮式氢气液化装置FLH2中推荐采用波纹管以强化其海上适应性。基于可视化实验和数值模拟结果,得到了降膜流动的流型演化规律,并拟合了波纹管外降膜流动的液膜厚度计算关联式。

表面张力模型对水平椭圆管外降膜流动传热数值计算结果的影响

采用VOF方法对水平椭圆管外降膜流动和换热进行了二维数值分析。研究了4种椭圆管管型在不同表面张力模型下的降膜流动和换热问题。结果表明,在椭圆管近壁处存在极薄的层流底层,对换热影响很大;在滞止区,流体涡流导致壁面换热系数波动较大。同时发现在椭圆管外降膜流动计算中,表面张力不可忽略,连续表面力(CSF)模型和连续表面应力(CSS)模型均能较好地体现椭圆管的壁面流动和换热情况,但CSF模型在上下滞止区的计算更为准确。此外,椭圆度对壁面传热系数影响也较为显著。椭圆度增大,换热增强,特别是当周向角θ=20°~180°时,换热增强尤为明显。

横掠管束降膜流动和传热特性

为了明确绕管式换热器壳侧降膜流动特性对传热性能的影响,建立三维壳侧计算域,采用VOF模型,在干度工况范围为0.1~0.9,热流密度为1 275~8 000 W/m^(2),质量流率为120 kg/(m^(2)·s)时,分析了乙烷在绕管式换热器壳侧降膜流动过程。结果表明:对于乙烷工质,流型依次为层状流、半环状流、液滴流。干度为0.3,热流密度为4 000 W/m^(2)时为层状流向半环状流转化点;干度为0.6和0.7,热流密度4 000 W/m^(2)时为半环状流向液滴流转化点;在层状流向半环状流及半环状流向液滴流转化点传热系数均下降。干度为0.1~0.2,传热系数与干度成正相关;干度为0.3~0.7,传热系数与干度成负相关;干度为0.8~0.9,传热系数随干度变化不明显;流型为层状流和半环状流时,热流密度与传热系数成正相关。流型为液滴流时,热流密度与传热系数成负相关。

利用降膜流动测量液体黏滞系数

利用降膜流动设计并搭建了测量液体黏滞系数的实验装置,根据不可压缩液体N-S方程,结合边界条件建模。采取测量液膜表面速度的方法计算液膜厚度。测量了蓖麻油不同流量下的黏滞系数,倾斜板在不同倾角下,黏滞系数测量相对准确的流量区间基本相同,相对误差在8%以下。分析了装置的适用条件和误差来源。并用全内反射法进行了液膜厚度对比验证。该研究丰富了测量液体黏滞系数的教学内容和方法,有助于学生掌握流体力学相关知识,提高综合设计能力。

水平管外高黏流体降膜流动形态及液膜分布规律的数值模拟

降膜元件上的流体流动行为能够反映该降膜式脱挥器的主要性能。采用数值模拟方法探究在水平管结构的降膜元件上高黏流体降膜流动的微观机理,在实验验证模型可靠性的基础上,考察不同流量下3层水平管外的高黏流体降膜流动形态及液膜厚度、速度变化规律等。结果表明:高黏流体在水平管外的降膜流动形态主要受重力和黏性力的影响,柱状流不易发展成完全的帘状流;高黏流体在水平管上部受到壁面支持力影响,而在水平管下部受到黏性力影响,流体会堆积在周向角0°~30°和150°~180°这两个区间内,导致液膜厚度异常增大;进液的3股流体在发生碰撞后,中间股液膜速度提高较多,但液膜厚度增加较少;流量减小至10.8 kg/h时,水平管外高黏流体会发生液膜收缩且内部出现空腔的现象,不利于高黏流体成膜流动。该研究可为水平管降膜式脱挥器的开发及工况设置提供参考。

转角正方形管束有降膜流动时的压降实验

为了深入研究大型海水淡化装置中流动阻力对装置性能的影响,建立了大型水平管束降膜流动特性实验台,模拟了水平管降膜蒸发器内蒸汽的流动过程,分析了饱和蒸汽温度和喷淋密度对管束流动阻力的影响.引入新的参数(喷淋雷诺数)对实验数据进行了拟合,得出蒸汽横掠有降膜流动的转角正方形管束的压降系数公式.结果表明:在相同的蒸汽质量流量和喷淋密度下,压降随饱和蒸汽温度的升高而降低;压差预测值与实验值的误差小于±15%.

气液降膜流动中液相速度波动及其传质研究

为了研究降膜流动的动力学性质及其对气液传质过程的影响，在气液逆流的不同气液流动条件下采用激光多普勒（laser Doppler anemometer，简称LDA）测量了降膜流动的液相速度分布和瞬时速度波动。和以往假定液膜外侧为自由表面，液膜表面处剪切力为零的Nusselt模型进行了比较，LDA测量结果表明气液逆流时降膜流动的最大液相速度出现在液膜表面之内，并且是以近界面区域的速度波动为特征的流动。在相同的降膜装置中进行了乙醇稀溶液的解吸实验，液相传质系数的实验测量值是渗透理论预测值的1～2倍。实验结果表明液相界面区域的速度波动加快了气液界面的表面更新速率，减小了传质阻力，强化了气液界面的传质过程。考虑液膜波动特征对气液接触情况的影响，从气液两相接触时间的角度出发，修正了渗透理论对液相平均传质系数的预测，预测结果和实验结果相吻合。

波纹管管内降膜流动与传热特性的研究

应用CFD软件模拟分析流体在竖波纹管和竖直圆管内的降膜流动情况,采用立式蒸发式冷凝器试验平台,在不同喷淋密度下,测量温度和流量等参数,计算波纹管管内各相间传热传质系数,并与相同参数(流速、温度)条件下圆管管内传热传质系数进行比较。模拟结果表明,在相同的喷淋密度下,波纹管竖管内水膜分布较圆管均匀;试验结果表明,随着喷淋密度在一定范围内增加,水膜传热系数、空气-水当量传热系数、总传热传质系数均增大,且波纹管的传热性能明显优于圆管。

基于水平圆管外加装排液板降膜流动的数值模拟

为了研究排液板对水平圆管外降膜流动与传热的影响,建立了水平圆管底部加装排液板的物理模型,采用流体体积函数(VOF)模型对其管外降膜流动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与文献中的实验数据进行了对比.结果表明:加装排液板的水平圆管的平均液膜厚度比未加装排液板的水平圆管薄,管壁局部Nu大,排液板起到加速排液及减薄液膜的作用,有利于强化传热;排液板高度越大,管外同一周向角位置处的液膜厚度越薄,管壁局部Nu越大;排液板厚度较小或者较大都不能有效发挥加速排液的作用.

横摇工况下FLNG绕管式换热器降膜流动换热数值模拟研究

绕管式换热器作为浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG)的主低温换热器,研究其在海况条件下换热性能的变化对提高FLNG在海洋环境运行时的综合性能具有重要意义。本文以绕管式换热器内换热管的管外降膜流动换热过程为研究对象,建立了圆管与椭圆截面正弦波管管外降膜流动换热模型,分析对比了水平静止和横摇工况下2种换热管的周向局部换热系数和平均换热系数。研究结果表明,在水平静止状态下,椭圆截面正弦波管的换热能力高于圆管。在横摇运动状态下,横摇最大倾斜角对椭圆截面正弦波管换热性能最恶劣时刻的周向局部换热系数影响较小,横摇周期对其几乎无影响;横摇时间、最大倾斜角和周期对圆管与椭圆截面正弦波管周向平均换热系数均无影响。对比分析表明,椭圆截面的抗晃荡能力稍逊于圆管,但晃荡工况下其换热性能仍高于圆管。本文研究结果对绕管式换热器的设计与性能优化具有一定参考价值。

旋风降膜反应器中降膜流动特性试验研究

应用电导法测量壁面降液膜厚度,研究降膜反应器中液膜附着于壁面的均匀性和稳定性。采用平均膜厚及方差分别描述液膜厚度与波动特征,得到降膜反应器中表面受旋转气体剪切作用时液膜流动状态。以进口气速为试验因素,结果表明:表面气体剪切力对降膜流动形态产生显著影响,使水膜在筒体不同侧面及高度分布不均,进口段尤为明显,降膜流动急剧偏折。进口气速越大,干扰越显著。在液膜流率为0.16L/(m?s),进口气速达20m/s时,矩形进口管与圆筒相切处出现明显的三角形薄液膜区,平均膜厚为0.65mm,接近破断。进口段液膜分布不均将直接导致下部主体段不同侧面液膜分布不均。

溴化锂吸收式制冷机发生器水平圆管外滴状布液降膜流动的研究

建立了溴化锂吸收式制冷机降膜式发生器水平圆管外滴状布液降膜流动的数学物理模型，通过计算得到了滴状布液降膜流动的液膜厚度和流动速度沿圆周方向的分布情况，为传热传质研究提供了基础。模型中考虑了液膜流动的初速以及液滴与管顶部碰撞的影响，计算所得的液膜厚度分布比Nusselt膜型更加合乎实际情况。

稳定同位素^(13)C分离用高效丝网波纹填料表面降膜流动研究

由于碳同位素分离系数小,分离难度大,需要采用高效规整填料实现^(13)C的分离。本文通过计算流体力学(CFD)数值模拟研究,采用流体体积函数(VOF)方法,研制了用于^(13)C分离的高比表面积丝网波纹规整填料(PACK-^(13)C),建立了PACK-^(13)C填料表面伴随有气相逆流的局部液体降膜流动模型,选用CO(l)-CO(g)为模拟计算物系,考察了板面结构、丝网目数等因素对液膜流动的影响,并对填料表面气液相界面进行追踪,探究了气液相界面波动对传质效率的影响,研究表明,改善填料壁面结构能够增强气液相界面波动,可以实现强化传质过程。填料表面局部降膜流动的研究方法,可应用于填料气液传质过程中涉及的多尺度流动及传质现象的可视化研究,为优化填料结构提供基础性理论指导。

高黏流体竖直管外降膜流动的三维数值模拟

基于计算流体力学(CFD)技术,采用流体体积法(VOF)追踪气液两相界面的位置变化,对高黏流体竖直管外竖直降膜流动进行了三维数值模拟研究,考察了高黏流体在光滑直管和波形管管外降膜的自由面变化、膜厚和速度分布等流体动力学行为。结果表明:高黏流体在直管和波管管外做降膜流动的成膜厚度均随黏度的增大而增大,膜面速度则有所减小,相同黏度的流体其膜厚和膜面速度均随流量的增加而显著增大。高黏流体在光滑直管外降膜流动一段距离后,其膜面速度和膜厚趋于稳定,而对于波形管外的降膜流动,其膜面速度和液膜厚度均随波节做周期性变化,且在波峰附近时液膜最薄,但膜面速度最大,在波谷附近液膜最厚,但膜面速度最小。

水平异型管外加装排液板降膜流动数值分析

液膜热阻是影响水平管外降膜流动传热的主要因素之一,采用加速排泄管外液体及减薄液膜厚度的方法可以使其换热加强。通过建立底部加装排液板的异型管物理模型,采用fluent软件中的VOF模型对其管外降膜流动进行了二维数值模拟,来研究排液板对水平异型管外的降膜流动与传热的影响。并比较了模拟得到结果与文献中的实验数据,变化趋势吻合较好。结果表明:加装排液板的异型管较其光管的平均液膜厚度减薄,管壁的局部Nu数增大,表明排液板可以加速排液,有助于强化传热;蛋形管具有比滴形管更好的排液性能,加装排液板后排液效果更加显著。

多排平直翅片管换热器表面气液降膜流动特性的三维数值模拟

基于VOF模型建立了考虑重力、表面张力及界面摩擦力源项的多排平直翅片管换热器表面气液两相降膜流动三维瞬态CFD模型。不同气流速度下液膜厚度模拟结果与文献中试验值吻合较好,最大偏差小于5%,表明所建立CFD模型是可靠的。通过研究壁面接触角为30°时不同气液Reynolds数下液膜流动特性,结果表明:翅片管表面满膜流的临界Reynolds数Rel为239,临界喷淋密度为0.06 kg/(m·s);在239≤Rel≤995内,其平均液膜厚度较Nusselt理论解高16.8%~35.1%;气液逆流和顺流时气相Reynolds数Reg应分别小于2190.7和3286.0,其主要原因在于过高的Reg会导致气液界面摩擦力快速增大,从而引发液膜破裂和液滴脱落等现象恶化设备性能。总之,气液顺流更有利于在较高气相Reynolds数下实现翅片管表面的较薄满膜流动。

激光诱导荧光技术观测填料表面非等温降膜流动形态变化

非等温降膜流动在精馏过程中较为常见,其流动特性较为特殊,对填料表面的质量和热量传递有重要影响。本文搭建了可视化的实验装置,在保证液相室温进料的前提下升高填料温度,在规整填料表面构造液相被加热的非等温降膜流动,运用激光诱导荧光技术对液膜形态变化进行观测分析,对液体润湿面积、液膜厚度等参数进行比较。结果表明,随着填料温度的升高,液体润湿面积显著减小,波谷处液膜厚度显著增加,液膜逐渐收缩为沟流,填料表面的不规则液滴数目增多,干板现象越发严重。液体的聚并和分散轨迹消失,液相再分布及表面更新能力降低。因此,填料表面的非等温降膜流动液膜收缩现象十分明显,降低传热传质能力,需在工业生产中引起足够重视。

Marangoni效应对降膜流动影响的模拟研究

采用计算流体力学的方法,提出了1个三维模型来研究竖直板上受热和受冷降膜的Marangoni效应对降膜流动的影响,得到了液膜表面温度、速度、涡量以及润湿面积比等参数随时间变化关系.模拟结果表明,液膜受冷其润湿面积增大,受热收缩.Marangoni效应在液膜的水平方向表现得更加明显,受热液膜径向修正Marangoni数为轴向修正Marangoni数的8倍.受热液膜表面波动加强,边缘处涡量增大,而液膜主体流向速度由于受到液膜收缩的影响也增大.

气液降膜流动厚度及流速分布特性

对洗涤冷却管内垂直降膜的流动特性进行了研究,采用超声波多普勒测速仪,对气相影响下液膜的厚度和速度进行了无接触式的测量,实验液膜雷诺数为2.04×10~4,气相雷诺数范围0~6.83×10~4。结果表明:液膜在洗涤冷却管流动发展过程中明显存在中央液膜向两边铺展的现象,铺展规律受气相雷诺数及出口槽缝尺度影响显著。管内周向角8和16°处局部液膜波动较其余周向位置剧烈并有增厚的趋势,且气相雷诺数和槽缝宽度的增大均使这两处液膜增厚位置向后延迟,使得管内初始段膜厚变薄。此外,气相雷诺数增大加强气液两相间的剪切作用,整体上加剧了液膜波动幅度,液膜速度波动趋势更加显著。

降膜流动板结构变化对传热性能的影响

通过实验考察了不同降膜流动板结构对液膜传热性能的影响。实验过程针对光滑平板及新型翅片板进行降液膜传热实验,分析了不同流量不同黏度下不同板结构的降液膜传热性能。水在不同板结构下平均传热系数随着流量的增加而增加,翅片板由于增加液膜湍流程度并改善液相分布状况使平均传热系数相对于平板提高5%—15%。对于蔗糖溶液液膜流速随着黏度的增大而有所降低,换热板表面液膜的湍流程度下降,另一方面黏度增大导致液相与换热板表面的接触角增大换热板润湿面积减小,导致各类板结构传热系数均有所降低,而带有翅片结构的降膜板更适用于高黏度液相传热,尤其在液相流量大于150 L/h时提高10%以上。流动形态及液相物理性质都会影响降膜传热性能,文中通过实验对降膜传热过程提出了强化措施,尤其是通过改进降膜流动板结构优化液膜流动形态强化传热。