氣液相變過程的能量轉(zhuǎn)換研究.pdf

1、“能源與環(huán)境”是當(dāng)今世界的一大主題，目前的能源形勢并不容樂觀，能源利用帶來的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)峻，發(fā)展先進的能源利用技術(shù)是緩解能源壓力，改善生態(tài)環(huán)境的一條重要途徑。
　　在能源利用過程中往往存在著各種相變過程，能量通過特定的工質(zhì)作為載體，以相變的形式實現(xiàn)能量的傳遞、轉(zhuǎn)化和回收，因此關(guān)于氣液相變過程的能量轉(zhuǎn)換研究具有非常重要的理論價值和實際意義。本文研究的氣液相變側(cè)重于氣體在快速膨脹過程中的自發(fā)均質(zhì)凝結(jié)過程，通過拉法爾噴管將這一物

2、理過程實現(xiàn)，并從理論分析計算、數(shù)值模擬和實驗三個方面進行了研究。
　　在理論分析和數(shù)值模擬部分，首先利用超臨界二氧化碳作為工質(zhì)，進行了膨脹凝結(jié)數(shù)值模擬計算模型的初步探索。對臨界點附近的二氧化碳的實際狀態(tài)方程進行了改寫擬合，得到了與前人實驗值基本吻合的狀態(tài)方程并應(yīng)用于數(shù)值計算，通過將凝結(jié)產(chǎn)生后流場的溫度和壓力限制在飽和線上的方法將凝結(jié)與流動耦合起來，一維二維的數(shù)值計算結(jié)果得到了很好的吻合。隨后在二氧化碳的數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，引入過飽和度

3、的概念，提出了通過控制過飽和度在凝結(jié)產(chǎn)生前后的變化特性實現(xiàn)對流動過程和凝結(jié)過程的耦合，建立了更完善的數(shù)值計算模型。對最常用的工質(zhì)水（水蒸氣）進行了一維理論計算和變工況分析，并在新的模型下進行了二維數(shù)值模擬及變工況分析，理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果吻合，并且體現(xiàn)了二維模擬中由于流體的粘性耗散和壁面的摩擦效應(yīng)帶來的變化。變工況分析得到了噴管初終參數(shù)對于流動和凝結(jié)的影響。
　　在實驗部分，完成了水蒸氣在拉法爾噴管內(nèi)的超音速膨脹凝結(jié)流動的實驗的

4、主要部件的設(shè)計及選型，搭建了實驗臺。通過機械隔膜計量泵和PTC即熱式加熱器獲得過熱蒸汽，然后送入設(shè)計制作好的拉法爾噴管進行膨脹，膨脹終了的濕蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝回收并維持一定的背壓，并根據(jù)冷凝器的能量平衡法測算出噴管出口處的凝結(jié)量。進行了兩類變工況實驗，即分別調(diào)整給水流量和加熱器功率，研究凝結(jié)量的變化，實驗結(jié)果與相同進出口參數(shù)下的理論計算值具有相同的變化趨勢。最后利用紋影儀對膨脹凝結(jié)流動的流動場進行觀測，并將不同出口凝結(jié)量下的紋影照片進行數(shù)