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。

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。

聚焦十字型微通道内高黏流体中气泡生成动力学

利用高速摄像仪观察了聚焦十字型微通道内高黏度(630 m Pa·s)的甘油-水溶液中氮气气泡的生成过程。研究了气泡生成过程以及气泡体积和最小颈部半径的变化规律。结果表明,高黏流体内气泡生成过程可分为回缩、膨胀、挤压和最终破裂4个阶段。气泡体积在膨胀和挤压阶段均随时间线性增长,但挤压阶段的斜率大于膨胀阶段的斜率。气泡最小颈部半径随时间变化分为两个不同的阶段:在挤压阶段,颈部半径随剩余时间呈幂率关系;而在最终破裂阶段,颈部半径随时间呈线性关系。

高黏流体在折流板上的降膜流动

为探究高黏流体在开窗导流填料片上的流动性能,文章采用多折流板结构代替开窗导流填料片结构,利用激光多普勒测速仪(LDA)测量了水溶性硅油在多折流板上的流动情况。通过移动测速仪的坐标架,可测得降液膜沿横向、纵向和膜厚方向的速度分布;通过观察仪器显示屏上的速度信号,可计算出液膜的厚度。比较不同折流板上的速度及膜厚差别,实验发现在低流速下(Re<10),折流板通过改变流体流动方向,使流体产生了明显的波动,从而加强了表面更新。实验还发现,在各个位置上速度沿膜厚方向的分布,均呈现出了类抛物线状,在气液接触面处速度有降低的趋势。同时,实验研究了液体流量、黏度对膜厚的影响,并回归出经验公式、经验值与实验值的误差在6%之内,可应用于硅油在折流板上流动。

基于灰度分析的高黏流体停留时间分布测定方法

高黏流体的停留时间分布(residence time distribution,RTD)测定过程通常面临操作过程复杂,所需设备费用大、实验结果精度低等状况。基于脉冲法并结合图像灰度分析技术,提出了一种简单快捷、适用性强的停留时间分布测定方法,测试过程简单。在流体流动稳定后加入有色示踪剂,摄像采集整个流体出口截面处流体颜色变化信息,根据流体颜色灰度对应示踪剂浓度的变化,得到停留时间分布曲线。该方法可应用于粘度大于100Pa·s的高黏流体的停留时间分布测定。以麦芽糖浆为高粘流体实验介质,选用结晶紫为示踪剂,确定了流体颜色灰度与示踪剂浓度的线性关系以及线性范围,并通过重复性及一系列的对比性实验证明测定结果稳定。并将圆直管的RTD理论曲线与实验曲线进行比较,进一步验证本方法的正确性。

管壳式换热器中高黏流体传热强化进展

管壳式换热器是目前工业上应用最广泛的换热器类型之一。本文综述了管壳式换热器中高黏流体传热过程强化技术的研究进展,分析了各种传热强化技术的优势与不足。针对高黏流体在管程与壳程内呈层流或过渡流,在传热面处流速慢、扰动弱,传热过程存在传热效率低、传热不均等问题,指出减薄层流热边界层厚度或破坏其发展及增强径向流动混合是强化高黏流体传热的关键。使用管内插入物、对换热管进行螺旋、弯曲及紧凑排列或使用高效的折流板有利于减薄层流边界层厚度,强化径向混合,进而提升传热性能。但在有效提升传热性能的同时也会显著增加流动阻力,难以有效提升换热器的综合性能。高传热与低流阻特性兼备的高黏流体传热强化技术是研究的主要方向,同时向换热器结构简单化与综合性能更优化的方向发展。

高黏体系中纳米颗粒稳定气泡的形变及破裂行为

采用高速摄像机研究了微通道内高黏流体中纳米颗粒稳定的气泡在流动过程中的形态及其对下游对称Y型分岔口处气泡破裂的影响。在直通道内运动气泡呈现出弹状、哑铃状和手榴弹状3种形态,气泡的形态主要受分散相流率影响。Y型分岔口处气泡的破裂流型主要为部分阻塞破裂,吸附有纳米颗粒的气泡的破裂周期较常规气泡更大,其破裂周期之差ΔTb随毛细管数Ca变化呈现出3种不同的规律:当Ca>0.042时,ΔTb为正且与Ca呈正相关;当Ca<0.042时,存在ΔTb为正且与Ca呈负相关和ΔTb为负且与Ca呈正相关两种情况。此外,变形气泡在Y型分岔口处呈现非对称破裂行为,其破裂的非对称性与气泡的变形程度相关,当Ca大于临界毛细管数CaCr时气泡尾部直径减小的速度加快,从而加剧气泡的变形,气泡破裂的非对称性显著增大。研究表明,吸附纳米颗粒的气泡的CaCr值与无颗粒体系中气泡相同,但吸附有纳米颗粒的手榴弹状气泡的形变程度更大,破裂的非对称性也更明显。

超重力旋转填充床用于高黏聚合物脱挥的研究进展

针对高黏聚合物体系脱挥过程的特点,指出聚合物脱挥技术推广的关键是开发高速表面更新的新型高效传质设备。工业上常规的脱挥设备存在不同的使用限制,本文提出了设计新型旋转填充床用于高黏聚合物脱挥的可能性,并类比螺杆挤出机结构介绍其脱挥机理。结果表明,相比常规的脱挥设备,旋转填充床脱挥效率高,能耗低。采用该技术对丙烯腈系聚合物进行两次循环脱挥处理,丙烯腈脱除率达到99%以上。在脱挥过程中,解吸的挥发分气体在第一时间离开填料层,并迅速由真空泵抽走,防止了挥发分的二次溶解。

平直叶桨搅拌槽内流体混合过程数值模拟研究

采用RNG k-ε模型、多重参考系法对平直叶桨搅拌槽内高黏流体湍流流场进行数值模拟,分析搅拌槽内流体的流动特性和混合过程。结果表明:平直叶桨搅拌槽内流体主要做周向运动,流体的轴向运动和径向运动较微弱;增加的上层桨能显著提高下层桨以上流体的流动速度,但不能显著提高下层桨以下流体的流动速度;双层桨距离较近时会互相影响,导致两桨间的循环流现象消失;双层桨搅拌槽内示踪剂在扩散开始阶段主要是以团状的形式绕搅拌轴做旋转运动,之后在铅垂面上以环绕状形式在桨端周围扩散。研究结果为平直叶桨搅拌槽的设计和应用提供参考。

最大叶片式桨在假塑性流体中的搅拌流场模拟

为研究最大叶片式桨在高黏假塑性流体中的搅拌流动行为,以黄原胶溶液为研究体系,采用计算流体力学方法重点研究了釜内流体的功耗特性、速率分布、剪切速率、表观黏度分布和总体流动状况。结果表明:最大叶片式桨具有与大多数径流桨相似的"双循环"流型结构,且预测的功耗特性与实验数据一致性良好。最大叶片式桨适用于高黏假塑性流体的混合,而对于高黏牛顿流体的混合则效果不佳。釜内的剪切速率分布较宽泛,且受转速影响较大。转速可作为该桨改善黄原胶体系混合效率的重要参数之一。

聚驱井抽油泵排出阀阀罩过流阻力研究

聚合物驱开发原油过程中,由于流体黏度较高,抽油泵排出阀阀罩过流阻力通常较为显著,从而对抽油泵阀罩载荷分析及优化设计提出了挑战。但是,现有的阀罩过流阻力确定方法主要依赖于室内清水试验,与高黏流体性质差异较大,难以用于聚驱井阀罩过流阻力分析。因此,通过综合运用数值模拟及室内试验方法,分析了流体黏度、流量、阀罩开口宽度及开口长度等多种因素对阀罩过流阻力的影响,并构建适用于聚驱井的过流阻力经验计算公式,为聚驱井抽油泵阀罩的优化设计提供依据。研究结果表明:流体黏度及流量的增加均会导致阀罩过流阻力显著增大;而在满足强度要求的前提下,适当增加阀罩开口宽度及长度,可以有效降低阀罩过流阻力。研究结果可为油田提高采收率提供参考。

Experimental Study on Revolving Cross-flow Microfiltration of Highly Viscous Liquids

Experimental investigation of the microfiltration （MF） using a revolving cross-flow membrane filter was performed under the condition of constant pressure difference, and different flat membranes made of polyvinylidene fluoride （PVDF, 0.1 μm）, cellulose acetate （CA, 0.22 μm）, sulfonated polyethersulfone （SPES, 0.22 μm） and polyamide （PA, 0.45 μm）, respectively, were used in filtration experiments. The dependence of the filtrate mass of the cross-flow MF on time was measured on-line. The experimental results showed that the effect of the cross-flow on high viscosity medium was more significant than that on the low viscosity one.

单排栅缝元件降膜流动研究

通过对高黏流体在单排栅缝元件上的降膜流动过程进行实验观察,研究了降膜流动过程中单排栅缝上液膜的成膜效率、成膜特性与操作条件、结构参数以及与流体黏度之间的关系。实验发现:不完整液膜表现为流道破裂的不连续现象;流道过长容易出现边缘传质死区。栅缝元件的开口缝宽增大、栅缝铁丝的丝间距减小、流体黏度的减小均可以使栅缝降膜流动的成膜效率提高。