动力工程多相流国家重点实验室研究进展

1 实验室概况 动力工程多相流国家重点实验室是在西安交通大学多相流与传热研究室的基础上,于1990年2月由国家计委批准开始建设,于1992年12月建成并通过国家验收,从1993年起正式对外开放.

甲醇高压热解和氧化的实验及动力学研究

利用流动反应器对甲醇的高压氧化及热解特性进行实验研究,在此基础上对已发表的甲醇化学反应动力学模型进行验证,并对宽裂解度范围的甲醇裂解气氧化特性进行模拟。研究结果表明:高压可以有效促进燃料的氧化;掺混甲醇裂解气可以有效降低甲醛的排放量。甲醇及其裂解气产生的活性自由基加快了燃料的化学反应速率,通过HO2自由基间接控制了下游链分支反应,生成大量OH自由基,改变了甲醛消耗路径中各反应的敏感性系数。

预混预蒸发正庚烷湍流火焰结构的实验研究

采用预混伴流射流燃烧器(PPJB)研究了初始温度400 K的预蒸发正庚烷/空气混合物在薄反应区的湍流火焰结构.采用热线风速仪标定冷态湍流流场,CH-PLIF测量湍流火焰反应区结构,共振OH-PLIF测量湍流火焰结构特征.结果表明:高湍流条件下,反应区厚度在不考虑三维效应时最大厚度为层流火焰厚度的1.6倍,其可支持薄反应区理论对预蒸发液体燃料湍流火焰的适用性.火焰面褶皱比和湍流燃烧速度的增加与湍流强度的提升不匹配.通过对火焰面曲率和平均火焰面密度的分析,发现高湍流条件下,褶皱尺度、大小和数量变化不大.一方面,湍流可能会减弱非均匀扩散造成的差异;另一方面,更可能是由于对褶皱结构的不完全捕捉和对3D效果的忽视而引发对火焰褶皱的低估.

高密度碳氢燃料JP-10流动换热及热裂解结焦实验研究

基于再生冷却技术研究背景,在热通量100~2000 kW/m^(2)、常压~6 MPa条件下,于Ф4 mm×1 mm高温合金钢圆管内开展了高密度吸热型碳氢燃料JP-10的流动换热特性和热裂解结焦特性实验研究。研究表明,压力2MPa下,1204.6 kW/m^(2)是煤油发生偏离核态沸腾的临界热通量。亚/超临界压力下JP-10部分流动换热区域可划分如下:入口效应区、强制对流换热区、(拟)过冷沸腾区、(拟)饱和沸腾区等。流体温度是主导燃料结焦的主要因素。压力2、4、6 MPa下,燃料结焦起始点流体温度分别为679、652、643℃。壁面温度在高结焦反应发生后对结焦量产生同步影响。压力升高,燃料管内结焦加剧,高温燃料在管道内停留时间增加是主要原因。

泡沫排水采气井筒流动规律实验研究

泡沫排水采气工艺因成本低、施工简单及收效快在国内外各大气田广泛应用,在众多排水采气工艺中扮演主力军作用。准确揭示泡沫排水井井筒压降规律及携液规律对于优化泡沫排水工艺技术参数、提高泡沫排水采气工艺技术水平具有重要意义。搭建了高8 m、内径30 mm可视化实验装置,通过垂直管流实验对比了起泡剂对气液两相流型特征及流型转化条件的影响,揭示了其内在机理;测试了起泡剂浓度、气相表观流速、液相表观流速和倾角对气液两相压降、持液率和临界携液气相流速的影响规律。实验表明,加入起泡剂后:1)降低了段塞流向搅动流、搅动流向环状流转变的气相表观流速,使段塞流和搅动流的气相流速区间变窄。2)段塞流和搅动流的压力梯度显著降低,环状流压力梯度显著增加。3)段塞流和环状流气液间的滑脱减弱,持液率降低。4)连续临界携液气相流速急剧降低,在50°左右的倾斜管段效果尤为明显,最大降幅超过40%。

旋转滑动弧等离子体对稀燃旋流火焰影响的实验研究

等离子体助燃技术被认为是非常有前景的燃烧调控技术,具备显著增强极端条件下的点火和火焰稳定燃烧性能的潜力.滑动弧放电等离子体具有能量强、电弧作用范围广以及适用于高压等优点,文章实验研究了三维旋转滑动弧放电等离子体对稀燃预混钝体旋流甲烷/空气火焰的影响规律.研究了等离子体的特性,包括电学特性、运动特性、光学特性以及温升效应.利用OH-PLIF得到了旋流火焰结构以及火焰结构转变过程,并且研究了等离子体对稀燃吹熄极限的拓展作用.最后利用气体排放仪测量了燃烧室出口处旋流火焰污染物NO_(x)排放.结果表明旋转滑动弧放电能够产生大量的活性自由基,可以增强燃烧中的化学链式反应,另外整体热效应比较弱,主要体现为局部加热作用,放电特性与空气流量和施加电压密切相关.旋转滑动弧能够提高火焰稳定性并且有效拓展吹熄极限,这主要是因为旋转滑动弧放电可以作为点火源和火焰稳定器,能够点燃混合气并且形成外回流区火焰,使得火焰根部更加稳定.对于旋转滑动弧放电等离子体对旋流火焰污染物排放的影响,研究发现等离子体放电能够增加NO_(x)排放,NO的形成来源于等离子体放电,燃料的加入使得NO的含量低于空气中放电时NO的含量.旋转滑动弧放电导致NO的排放最少增加65%,且NO的排放随着当量比降低而降低.

负压大直径管道内湿蒸汽流体动力特性实验研究

通过模型实验的方法对直接空冷系统排汽管道内湿蒸汽的流体动力特性进行了研究;系统地研究并确定了含液率、环境温度、系统背压等因素对排汽管道内流动阻力和流量分配的影响;得到了各组件阻力系数与雷诺数的关系,给出了进入自模化区的最小雷诺数为1.5×10~5,阻力系数与雷诺数的变化趋势与经典的莫迪图基本吻合。该实验系统依托实际项目,不仅可以指导排汽管道工程设计,还能够有效培养学生解决复杂工程问题的实践能力和创新能力。

蒸汽射流直接接触凝结的界面及声压特性

蒸汽射流在液体中的直接接触凝结引发的剧烈界面振荡及声压振荡,可能导致工业管道系统振动甚至失效,采用高速摄像机与高频水听器,捕捉了射流的界面演化行为及其诱导的声压。研究了3种典型凝结流型下射流界面的径向、轴向振荡与声压振荡特性,并阐明声压振荡产生机理。研究发现:声压波动的概率密度函数在间歇流型下呈左偏单峰分布,在界面振荡流型下呈双峰分布,而在稳定流型下呈对称单峰分布;随蒸汽质量流速升高,无量纲径向、轴向界面振荡强度及声压振荡强度整体呈下降趋势,表现出极强的相关性。建立了基于声压参数的射流喷射长度预测模型,预测值与实验值的误差在±1%内。概率密度及相关性分析结果表明,蒸汽射流凝结的声压振荡是由其界面振荡引起的。

超高参数火箭煤油在小通道圆管内的流动换热特性

火箭煤油再生冷却过程具有高压、高温、高热流密度和高质量流速等特点。在超高参数条件下,采用低电压大电流电加热方法模拟火箭发动机推力室壁面热环境,在高温合金钢∅2 mm×0.5 mm圆管内研究了火箭煤油的流动换热特性。参数范围为压力25~65 MPa,质量流速8500~51000 kg/(m^(2)·s),流体温度常温为~500℃,热流密度最高为35 MW/m^(2)。研究表明:在所测试条件下,火箭煤油在小通道圆管内处于单相液态强制对流换热机制;换热性能主要受到流体温度和质量流速的影响;流体温度增加,换热系数增加;质量流速增加,换热系数增加;压力在25~65 MPa范围内对换热性能无显著影响;热流密度增加,内壁温显著增加,但热流密度变化对换热系数无显著影响;受入口强化换热效应的影响,换热系数增加,热流密度越高,入口效应越明显。超高参数尤其是超高压力条件下的火箭煤油换热特性,为火箭煤油再生冷却技术应用提供参考。

多相流管线蚀满泄漏时的水动力学特性分析

将背压分析方法、两相流管道效率与潘汉德公式相结合,分析了多相状态下点蚀泄漏时的天然气管道输运特性,导出了气液两相流泄漏系数与当量输气流量等新概念,提出了通过分析天然气管道的输运特性而监测多相泄漏的新方法.通过在在内径50mm、长100m的水平管中模拟对该方法进行了实验验证,结果表明,在不同的泄漏时的管道基本输运特性曲钱,且偏离程度随气体泄漏比率的增大增大,据此可监测多相泄漏的发生.

超临界660 MW机组直流锅炉动态特性仿真研究

为提升煤电机组灵活性,锅炉需具备良好的可控性和适应负荷快速变化的能力。锅炉灵活性与控制系统性能密切相关,而后者是基于动态特性设计的。为研究锅炉的动态特性,在Dymola平台中建立了某超临界660 MW机组直流锅炉的动态模型。结果表明:当锅炉入口参数发生扰动时,蒸汽温度的响应时间比蒸汽流量更长;当给水温度、给水量与燃料量分别阶跃增加5%时,主蒸汽温度分别变化10.2℃、-28.5℃和35.7℃;在锅炉的水煤配比调节过程中,给水量和燃料量变化时间不同会对主蒸汽温度产生不同的影响;当给水量比燃料量延迟约100 s作用时,主蒸汽温度在瞬态过程中的最大偏差相对于二者同时变化的情况减少了27.4℃;当变负荷幅度相同时,变负荷速率越大,主蒸汽参数的波动越剧烈,趋于稳定所需的时间越长。

多喷嘴喷雾冷却表面传热特性实验研究

低沸点制冷剂(R134a)喷雾冷却能快速降低表面温度,在高性能芯片等电子设备热管理、生物医学中均具有广泛应用,可实现喷雾表面的低温高效散热。多喷嘴喷雾冷却可实现较大冷却表面的均匀冷却及冷量的灵活调控。搭建了制冷剂喷雾冷却实验台,研究了多喷嘴喷雾冷却表面传热特性,并分析了喷嘴的孔径、间距、高度、喷雾时间和喷雾压力等因素对多喷嘴喷雾冷却表面传热特性的影响。结果表明:喷嘴孔径对冷却均匀性影响最大,其次是喷嘴间距,适当的喷嘴孔径(0.4 mm)和间距(11 mm)能使制冷剂喷雾在表面合理分布,最低温Tmin能达到最小值;10 mm喷嘴高度和1.2 MPa喷雾压力可以使液滴充分雾化并延长有效冷却时间。

近吹熄RP-3旋流喷雾火焰结构实验研究

贫油燃烧是先进低排放航空发动机燃烧组织方式之一,但是会带来吹熄的问题.本研究针对不同热功率下RP-3航空煤油旋流喷雾火焰开展了激光诊断研究,进行了OH/Kerosene-PLIF同步测量以及OH-PLIF/CH^(*)自发光同步测量,阐述了喷雾燃烧稀燃吹熄机制.研究表明,不同热功率下吹熄极限几乎一致,并且近吹熄工况下火焰结构相似.在近吹熄条件下,一方面燃烧室下游的冷空气回流至内回流区,造成内回流区温度降低,另一方面燃油蒸发造成火焰根部的不稳定,两者相互作用导致了火焰的局部熄火,乃至整体吹熄.

高压氨氧化中N_(2)O的实验与动力学研究

在流动管平台上进行了接近发动机运行压力的氨气氧化实验,关注N_(2)O的生成和消耗.压力为5.0 MPa,温度从600~1250K,当量比从0.13~1.0.用近年来发表的氨气氧化的动力学模型开展模拟计算和动力学分析,对各模型在高压工况下对N_(2)O的预测能力进行评估和分析.根据最新的计算结果调整NH_(2)和NO_(2)反应的分支比,并在Stagni模型上更新了相关反应的反应速率,添加了N_(2)O缺失的反应路径.模型优化后在不同当量比下对N_(2)O的预测能力均得到了提升.

光热协同甲醇水蒸气重整制氢实验和微观机理研究

针对太阳能光热化学甲醇重整制氢中光热耦合效应及微观机理尚不清楚的问题,采用光热化学和热化学反应对比的研究方式,与微观实验相结合,研究了光热化学甲醇重整中光和热的耦合效应,探究了光和热在微观产物转化中的反应路径。研究结果表明:在较低温度下,光对氢气产率的提升具有促进作用,当其与热化学达到相同氢气产率时,光热化学反应温度降低,造成这种现象的原因是光促进了水的分解、吸附态HCOO*的生成以及碳酸盐的分解,其中水在反应中的作用通过不同水醇比的实验得到了进一步验证;随着温度的升高,固定辐照度下光的促进作用逐渐降低,这是因为光对碳酸盐物质分解的促进作用随温度升高而减弱。研究阐明了光和热的耦合效应,分析了对应的微观机理,为理解光热协同机理提供了理论基础。

有限截面通道内喷雾顺流掺混动力学特征的实验研究

设计搭建了有限截面通道顺流喷雾掺混实验台,在横截面为70mm×70mm的透明方形掺混段内,将室温水经喷嘴雾化后顺流掺入不同流速的室温空气。实验中,喷水压力为0.1~1.5MPa,风速为14.6~46.2m·s^-1。分别采用高速摄影和马尔文粒度仪对该雾羽的速度场和初始粒径等动力学特征开展了实验研究。结果指出:掺混雾羽的径向速度及喷射轴线附近的轴向速度主要受制于喷水压力;而雾羽两翼处的轴向速度主要受风速影响。定义轴向平均速度为雾羽轴向特征速度,该平均速度随喷水压力或喷射距离的增大而增大;在喷水压力小时,风速的增大可使轴向平均速度随喷射距离增大的速率提高;在喷水压力高时则反之。掺混雾羽的初始粒径随喷水压力的减小或喷嘴出口处气液相对速度的增大而减小。最后,根据实验结果拟合了轴向平均速度和初始粒径的实验关联式,其计算值与实验值吻合良好。

摇摆运动下低流率蒸汽冷凝换热特性和气泡受力数值模拟

蒸汽直接接触冷凝具有高效的传热传质性能,广泛应用于核能安全等领域。低质量流率蒸汽直接接触冷凝具有低频压力振荡,易引发设备共振。相比陆地稳定工况,海洋条件下摇摆运动可能加剧气液界面振荡,进一步影响设备的安全运行。为此,通过数值模拟对摇摆条件下低流率蒸汽凝结过程进行研究,分析了摇摆条件下压力、换热特性和气泡受力的变化规律,结果表明压力和传热系数剧烈波动主要集中于气泡颈缩和脱离阶段,此时气泡受力也达到最大值,气泡主要受惯性力和凝结力作用。此外,对比静止工况和摇摆工况,发现摇摆条件下由气泡速度变化导致的惯性力部分增大,摇摆运动带来的附加摇摆速度强化了气液界面的换热性能,平均传热系数远高于静止工况。

通道高度对翼型翅片印刷电路板换热器流动传热性能的影响

基于通道几何尺寸对印刷电路板换热器(PCHE)流动与传热特性的影响,采用数值方法研究了通道高度对翼型翅片PCHE流动传热性能的影响。结果表明:通道高度显著影响PCHE的紧凑性、阻力与传热性能;在相同雷诺数条件下(R_(e)=6000~14000),随着通道高度H的减小(通道高度与横向节距之比H/S_(T)=0.12~0.60),范宁摩擦因子f先降低后升高,H/S T=0.24翼型翅片通道的f最低;H/S_(T)=0.24~0.60翼型翅片通道的柯尔本-j因子j几乎相同,H/S_(T)=0.12翼型翅片通道的j有所增加;j/f适合于评价不同高度翼型翅片通道的综合性能,以j/f作为综合性能评价指标时,H/S_(T)=0.24翼型翅片通道的综合性能最佳。

660MW超临界直流锅炉水冷壁动态特性仿真研究

为研究锅炉水冷壁的动态特性,将水冷壁划分为多个模块,区分了沿高度方向与沿周向的热负荷不均匀情况,建立了660 MW超临界锅炉水冷壁区域的动态仿真模型。研究了水冷壁不同墙在热负荷变化下的壁温分布,对比了不同边界条件阶跃下水冷壁的响应特性,考察了变负荷过程中水冷壁的水动力与壁温特性。结果表明:后墙热负荷变化只会影响后墙水冷壁与凝渣管处的壁温;当后墙热负荷上升到锅炉最大出力的1.5倍时,凝渣管出现超温现象;当热负荷、入口质量流量与入口工质温度分别阶跃降低10%时,汽水分离器处出口汽温分别变化-7.97 K、+11.57 K和-19.97 K,即入口工质温度变化对汽温的影响最大;升负荷过程中汽温先上升后下降,降负荷过程中汽温先下降后上升。

高参数石油基和煤基火箭煤油射线法密度测量实验研究

基于Beer-Lambert定律,采用γ射线吸收法,研制了高参数火箭煤油密度测量装置,对液态及超临界压力下火箭煤油的密度进行测量方法研究。测量温度范围293~673 K,压力范围0.3~30 MPa,密度测量结果的扩展相对不确定度为2.2%~3.2%(置信因子k=2)。选取常压、温度293 K和压力5 MPa、温度673 K的环己烷分别作为高密度和低密度标准流体,抵消了温度变化对测量装置射线吸收率的影响。通过对环己烷和甲苯密度测量的校验,验证了测量方法的可靠性和准确性。在此基础上,完成了石油基和煤基火箭煤油的密度测量,并计算了石油基和煤基火箭煤油等压热膨胀系数。利用实验数据,拟合了宽广温度压力范围内两种火箭煤油密度的Tait函数关系式,密度实验数据与方程的平均绝对偏差为0.21%,最大绝对偏差为1.32%。测量结果表明:在所测量的温度和压力范围内,煤基煤油与石油基煤油的密度值基本一致。所得密度实验测量数据为高参数火箭煤油物性及传热等研究提供了基础数据。