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.

合成气/氮氧化物的氧化特性实验与反应动力学研究

为明晰合成气与氮氧化物(NO_(x))之间的相互作用机制,采用高压流动反应器,在623~1273 K温度下,实验分析了不同压力(0.19,1.80 MPa)、不同NO_(x)初始摩尔分数(0,0.0925%,0.185%)工况下,典型煤制合成气掺混NO_(x)的氧化特性。基于6种已有的反应动力学模型开展模拟计算,并结合实验结果和计算得到的反应速率常数,更新了CRECK-2019模型。采用更新后的模型进一步开展反应动力学分析,揭示了合成气/NO_(x)氧化过程的关键反应。研究结果表明:升高压力对合成气的低温氧化存在促进作用,且促进作用随NO_(x)掺混量的增大而增强;掺混NO_(x)对0.19 MPa下合成气的低温氧化无明显影响,而对1.80 MPa下的低温氧化存在促进作用,且对不同压力下的中、高温氧化均存在抑制作用;反应H_(2)+NO_(2)=H+HONO对高压下合成气/NO_(x)的氧化有显著贡献,反应HNO+NO_(2)=HONO+NO、HNO+H=NO+H_(2)和HNO+OH=NO+H_(2)O严重影响着中高温下OH的生成。研究结果可为合成气燃气轮机开发与污染物排放控制提供理论支撑。

电极振动对光电催化分解水气泡动力学的影响

为解决光电催化分解水反应器中气泡长时间附着于光电极表面,从而导致有效活化面积减少和产气效率下降的问题,构建耦合振动系统的光电分解水制氢气泡动力学可视化实验平台,提出通过给电极施加不同振幅和频率振动以加速气泡脱离光电极表面的方法。首先,记录静止电极表面单个气泡演化过程中的电信号和几何参数;然后,对比不同频率及振幅下气泡生长过程中电流和电势的变化情况;最后,分析振动对气泡几何特性的影响。研究结果表明:振动频率和振幅的增加能够提高反应过程中的光电流,降低电势,使得反应阻力下降;增加振动频率和振幅均能显著减小气泡脱离尺寸,从而加速气泡的脱离;当振动频率为70 Hz时,施加振动后气泡的脱离直径比无振动时最大减小了321μm,减小幅度约为48%;施加振动后,气泡直径为生长时间的幂函数,且气泡生长依次受惯性和化学反应控制。该研究可为光电催化分解水反应器的优化设计提供新思路。

3D打印矩形粗糙通道内火箭煤油流动换热特性试验方法研究

为探究3D打印再生冷却通道在液体火箭发动机推力室中的替代应用特性,研制了具有不同内表面粗糙度的正弦波纹结构3D打印304不锈钢矩形通道。内截面名义尺寸为2.0 mm×2.0 mm,设计粗糙度分别为6.3、25.0、100.0μm,实际粗糙度Ra分别为11.88、12.70、17.53μm,通过将高温电阻率法和像素法相结合获得了3D打印通道的实际内径和壁厚,修正了火箭煤油流动换热的内壁温和热流密度,建立了3D打印粗糙通道内火箭煤油流动换热特性试验研究方法。试验参数如下:压力处于15~20 MPa范围、质量流速在12450~24900 kg·m^(-2)·s^(-1)之间、热流密度为5~15 MW·m^(-2)、流体温度为-150℃。研究结果表明:火箭煤油流动换热特性受到热流密度、流体温度和质量流速的影响;流体温度处于50~135℃范围内,换热系数增加约25%~33%;热流密度处于5.0~15.0 MW·m^(-2)范围内,换热系数增加了8.3%;质量流速为12450~24900 kg·m^(-2)·s^(-1)范围内,换热系数增加了60.2%。粗糙度增加对火箭煤油流动换热起到强化作用,粗糙度从11.88μm增加到17.53μm时,换热强化幅度超过20%以上。该研究可为3D打印通道在火箭发动机推力室中的替代应用提供参考。

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.

超临界循环流化床锅炉深度调峰时水冷壁流动不稳定特性计算分析

针对深度调峰时超临界循环流化床锅炉水冷壁管道内的汽液两相流动不稳定问题,提出了一种适用于不同工况的频域法数学模型。通过对质量、能量、动量方程进行小扰动线性化后经拉普拉斯变换得到了用于描述管道内汽液流体流动稳定性的传递函数,通过图解奈奎斯特图的方法判断管内工质流动的稳定性。然后,通过该模型计算了某350 MW超临界循环流化床锅炉水冷壁管段的不稳定边界并研究了不同参数对流动不稳定特性的影响。计算结果表明:所选回路在20%和50%锅炉最大连续蒸发量负荷发生流动不稳定时,热负荷分别为76.09 kW·m^(-2)和113.52 kW·m^(-2),水冷壁管道流动稳定且安全;入口过冷度对临界热流密度的影响呈非单值性;增大质量流速使流体的进口和出口密度差减小,有利于流动的稳定;增大入口节流系数,可以抑制入口处流量的脉动,有利于流动的稳定;在不同的工况条件下,改变管段倾斜角度会对流动稳定性产生不同的影响。

开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟

对2排X型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究, 在实验的 Re范围内得出了传热和阻力的性能关联式及特性曲线.比较得出,开缝翅片的传热性能远高于平直翅片,与单向开缝翅片相比,X型双向开缝翅片的性能更好.通过数值模拟得出了 X型双向开缝翅片的效率计算曲线.应用场协同原理,对数值模拟得到的气流在2片翅片之间的温度场、速度场、对流换热系数及压降在流动方向上的沿程变化进行了分析.结果表明,开缝翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的协同性.

梭式窑空气动力模型中紊流流动与对流传热的数值模拟研究

为深入了解梭式窑对流换热规律和产生换热不均匀的原因 ,利用CFD软件FLUENTTM5 .4.8,构造了非保形结构化 -非结构化混合网格 ,采用标准紊动能 -紊动能耗散率 (K -ε)模型 ,对梭式窑空气动力模型内部紊流流动与传热进行了数值模拟研究。得出了烧嘴射流的发展过程以及烟气速度场和温度场的分布特征。分析了料垛之间以及料垛局部换热的不均匀分布特征和成因。结果表明 :外围料垛换热较强、内部料垛换热较弱 ,造成料垛间换热不均匀。料垛间隙的周期性分布导致料垛周向换热不均匀 ,三层烧嘴作用范围不同导致料垛纵向换热不均匀 ,有关数值模拟结果与文献实验数据符合较好。在此基础上 ,提出了调整料垛码法、烧嘴位置和流量匹配等改善对流换热均匀性的措施 。

机械合金化Mg_2Ni储氢材料的吸氢动力学实验研究

为了研究压力和温度对Mg2Ni储氢合金动力学性能的影响以及吸氢反应机理,采用机械合金化的方法制备了Mg2Ni储氢合金。利用P-C-T测试仪进行活化并测试其吸氢动力学特性,并在实验的基础上结合3种常用的动力学模型分析了Mg2Ni合金吸氢反应的控速步骤。结果表明:Mg2Ni合金在673K、7.4MPa条件下活化3次就能够基本活化完全,吸收1mol氢气所需活化能为43.47kJ;温度对其动力学性能影响不明显,相反压力的影响比较大,吸氢反应速率和吸氢量都随压力的升高而增加;实验结果与JDM和JMA动力学模型比较吻合;金属氢化物形核长大与氢原子在产物层中的扩散过程是Mg2Ni合金吸氢反应的混合控速步骤。

通孔金属泡沫中的空气自然对流传热实验研究

对水平面上通孔铜金属泡沫中的空气自然对流进行了实验研究,研究了金属泡沫孔隙率和孔密度对总传热热阻的影响.研究结果表明:与光表面相比,金属多孔表面有效地强化了自然对流散热,使总热阻至少减小20%左右.金属泡沫传热面积和自然对流流动阻力均受孔隙率和孔密度的影响.在较小的孔隙率(ε=0.9)下,对所研究的两个孔密度(400 m-1和1600 m-1),格拉晓夫数Gr存在一个转折点,当Gr小于该转折点值时,孔密度较大的金属泡沫自然对流热阻较小,而当Gr大于该转折点值时,孔密度较小的金属泡沫热阻较小.在较大孔隙率(ε=0.95)及实验所测的Gr范围内,孔密度较大的金属泡沫热阻一直较小.在所研究的两个典型孔密度(800 m-1和1600 m-1)下,孔隙率较小的金属泡沫热阻较小,但是在1600 m-1时,其热阻减小量要明显大于800 m-1时对应的减小量.

600MW超临界循环流化床锅炉水冷壁的选型及水动力研究

在超临界及亚临界压力范围内对不同尺寸的内螺纹管和光管的流动传热特性进行了实验研究,得到了偏离核态沸腾(DNB)和蒸干(DRYOUT)的发生规律、管子流动和传热的特性,建立了计算复杂流动网络系统回路流量及节点压力的数学模型,对非线性方程组采用迭代方法进行了求解,并对1台600 MW超临界循环流化床锅炉的水冷壁流量分配及壁温分布进行了计算.结果表明:在BMCR和在75%BMCR负荷下锅炉运行是安全可靠的.另外,笔者还研究了吸热偏差对流量分配及壁温分布的影响,结果表明流量与吸热量呈正响应特性.

波纹管管内层流流动和换热规律的实验研究及数值模拟

波纹管是近几年来被广泛采用的一种强化换热元件,对其管内的流动和换热规律进行研究具有十分重要的意义。本文通过实验和数值模拟的方法,对三种不同尺寸(φ=19 mm、25 mm、32 mm)的波纹管层流流动和换热进行了研究,发现存在一个临界的Re数,当Re数小于临界值时波纹管的换热性能不及对应的光管,随着Re数的增加,波纹管换热性能逐渐改善。

多孔板流量测量的实验研究

对一种新型的流量测量节流元件—多孔板的流出系数特性、压力损失和抗旋流性能进行了实验研究。与传统的标准孔板比较,多孔板的流出系数更加稳定,对上游旋流不敏感,压力损失比与标准孔板接近。对于当量孔径比(β)为0.42、0.59、0.65的3对孔板,在相同的雷诺数(Re)范围内,多孔板流出系数的变化范围比标准孔板分别低0.83%、2.02%、1.67%;在β较低时(β=0.42),多孔板的抗旋流能力优于标准孔板,而在β较大(β=0.65)时,刚好相反。

油水两相乳化液流动特性的实验研究

对垂直上升管内油水两相流动特性进行了实验研究,指出油包水流型向水包油流型发生转变的界限点在含水率w=0.3处.在前人研究的基础上,提出了通过实验测量得到的压力降来计算油水两相乳化液粘度的新模型.结果表明,这种计算油水乳化液粘度的方法较为精确.

多相流流型识别技术与系统开发

基于油气水多相流混合物在管道内流动时的多传感器信号———压力和压差信号 ,建立特定流型的识别规则 ,采用学习矢量量化模式分类器作为未知流型的分类器 ,根据数据融合的技术思路获得了油气水多相流的流型在线识别技术 .通过系统集成的手段 ,利用微处理装置研制出了流型识别系统 .该识别技术具有置信度高、容错性好、性能稳定、降低了对单个传感器的性能要求等优点 .该识别系统结构简单、无运动部件、不改变管道的截面结构 ,可以处理非快速变化的瞬态流动 ,测量误差小于 10 % ,并具有连续工作、定时打印。

甲醇空气预混层流燃烧的简化化学反应动力学机理

基于甲醇氧化的详细反应历程，利用敏感性分析的方法，提出了一个用于描述甲醇空气预混层流燃烧速度的包含18种组分、28步基元反应的简化化学反应动力学机理．研究发现，在甲醇的氧化过程中，甲醇的分解反应及H、OH等自由基的链锁反应具有十分高的敏感性，其中HCO＋M和H＋O2分别是产生H、OH自由基的主要反应．计算结果与实验结果对比表明，该简化机理可以较合理地模拟当量比为0．6～1．2以及不同初始温度下的层流燃烧速度和火焰结构．与详细机理相比，该机理更适合与CFD三维数值模拟软件耦合．

两种内翅片管对流换热与阻力特性的实验研究

本文通过实验方法研究了当内翅片管几何尺寸及形状基本相同时,在内翅片上增加凸起对其换热和阻力的影响,并拟合出了所测参数范围内换热和阻力的实验关联式,结果表明在翅片管上增加凸起确实有强化换热的作用,同时阻力增加明显。通过对实验管综合性能的比较,发现增加凸起的换热管更适用于压缩机中冷器。

采用双毛细管等流量法测量航空煤油RP-3的动力黏度

为实现超临界压力下航空煤油RP-3的动力黏度测量,在原双毛细管黏度计对比计算法基础上,采用等流量法并引入离心力修正系数对测试段毛细管压降进行修正,测量压力可达10MPa,测量温度范围提高至306.6~673.4K。等流量法根据上下游毛细管质量流量相等,通过测试流体在上下游毛细管中的压降关系及下游测试段毛细管热膨胀系数推算出该流体动力黏度。该方法简便可靠,在所测温度范围内的相对标准不确定度为1.16%~2.92%。通过纯物质十二烷及质量比为1∶1的正辛烷正庚烷二元混合物对等流量法进行标定,试验结果与文献值的相对偏差在±2.18%以内,相对偏差绝对平均值小于0.74%。在压力为3、4、5 MPa,温度为306.6~673.5K的条件下,采用该方法测量了航空煤油RP-3的动力黏度。该方法的应用可为进一步提高超临界航空煤油动力黏度的测量温度范围创造条件。

管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究

采用全三维、交错网格、全隐格式的计算方法对管壳式换热器壳侧的流动进行了数值模拟.基于各向异性多孔介质与分布阻力的概念,采用修正的k-ε模型和壁面函数法,着重分析了管壳式换热器壳侧的湍流流动特性.数值模拟结果和冷态实验数据的对比表明:换热器壳侧的压力分布及压降的实验数据和计算结果符合良好,计算值与实验值之间的最大偏差为20%左右.采用各向异性多孔介质模型比现有文献中采用的各向同性多孔介质模型更能有效地模拟管壳式换热器壳侧的流动特性.

垂直并联多通道内高温高压汽水两相流密度波型不稳定性的实验研究

在高压汽水两相流实验台上对垂直上升并联多通道中的汽 水两相流密度波型不稳定性进行了系统的试验研究,发现了并联多通道中汽液两相流密度波型不稳定性的主要特征,确定了系统压力、质量流速、入口过冷度、热负荷、进口及出口节流、可压缩容积等对该类不稳定性的影响;并将垂直并联多通道内高压汽液两相流的密度波型不稳定性与垂直并联双通道和单通道内的密度波不稳定进行了对比分析。所得结果可为大型直流锅炉和蒸汽发生器的设计提供依据。