液-液循環(huán)流化制取流體冰的數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、液-液循環(huán)流化制取流體冰是一項新提出的動態(tài)制冰方法。該方法基于液-液霧化理論與工程上廣為應用的流態(tài)化技術(shù)，系統(tǒng)制冰效率高，且制冰量易于控制，適合應用于大規(guī)模制冰場合，同時還具有裝置簡單、運行連續(xù)穩(wěn)定等優(yōu)點，在冰蓄冷技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。針對該流體冰制取新技術(shù)所涉及的幾方面關(guān)鍵問題，如：液-液霧化機理與特性、液-液循環(huán)流化動態(tài)制冰特性、制冰床體內(nèi)液-液-固多相流動與換熱特性、液-液循環(huán)流化制冰過程的熱力學特性等，本文基于試驗與數(shù)值模

2、擬研究手段，進行了系統(tǒng)深入的研究與分析。研究內(nèi)容分為以下五個部分。 建立了液-液霧化試驗研究裝置，對液-液霧化體系的霧化特性進行了試驗研究。通過大范圍地改變試驗工況條件，獲得了液-液霧化形態(tài)發(fā)展與演變的全過程；捕捉了射流高度的時間脈動特性，分析了射流非穩(wěn)定發(fā)展與其動態(tài)破碎特性，并探討了不同霧化形態(tài)中射流高度脈動強度與平均射流高度的變化規(guī)律；分析了霧化液滴粒徑及其分布特性，并獲得了噴射流率、載流介質(zhì)循環(huán)量等關(guān)鍵操作參數(shù)對霧化特性的

3、影響規(guī)律。同時，基于在循環(huán)流化制冰裝置中的應用背景，在制冰工況溫度范圍內(nèi)對液-液霧化特性進行了研究，著重探討了載冷介質(zhì)粘度變化對霧化特性的影響，并揭示了低溫環(huán)境中霧化特性與關(guān)鍵操作參數(shù)之間的關(guān)系。 在試驗研究的同時，為了深入地發(fā)掘液-液霧化體系的霧化機理與特性，本文并行地展開了數(shù)值模擬研究。針對三種典型液-液霧化發(fā)展形態(tài)的霧化特征，分別建立了數(shù)學求解模型，采用VOF/CSF方法準確追蹤液-液相間具有拓撲結(jié)構(gòu)的復雜自由界面，采用L

4、ES模型求解高噴射流率下兩相湍流脈動場；從時間與空間微觀尺度層面對三種典型霧化形態(tài)的霧化特性細節(jié)進行了描述；將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行了多方位地對比與分析，驗證了本文所建立數(shù)學模型的適用性以及數(shù)值模擬預測結(jié)果的可靠性與準確性；采用無量綱參數(shù)就不同因素對三種典型霧化形態(tài)霧化特性的影響進行綜合、系統(tǒng)地分析，進一步地揭示了液-液霧化體系的霧化機理與特性。 建立了流體冰制取試驗研究裝置，對液-液循環(huán)流化動態(tài)制冰特性進行了系統(tǒng)深入的試驗研究

5、。結(jié)合多種粒徑分布描述方法全面地對所制取冰晶的粒徑分布特性進行了分析，并揭示了關(guān)鍵操作參數(shù)的影響規(guī)律；通過擴大試驗工況參數(shù)范圍，獲得了關(guān)鍵操作參數(shù)對冰晶平均尺寸的影響規(guī)律；通過多工況調(diào)試與分析以及大量的驗證性試驗，獲得了制冰裝置平衡運行狀態(tài)下關(guān)鍵操作參數(shù)間的相互依賴關(guān)系；分析了床內(nèi)載冷油介質(zhì)的溫度分布，揭示了不同操作條件下制冰床內(nèi)多相流動體系的宏觀換熱特性；同時，基于圖像采集系統(tǒng)與數(shù)字圖像處理等方法實時捕捉了不同床高處離散顆粒的流動形態(tài)

6、，分析了離散顆粒在床內(nèi)流動換熱過程中碰撞-聚并現(xiàn)象，揭示了不同操作參數(shù)對顆粒碰撞-聚并的影響規(guī)律。 建立了適合應用于制冰床內(nèi)多相流動與換熱體系的熱態(tài)CCDM數(shù)學求解模型，包括：液滴、冰晶碰撞求解模型、液-液-固相間動量與能量全耦合機制、高效的當?shù)胤墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格搜索法等，對制冰床內(nèi)多相流動與換熱特性進行了進一步的研究?；跓犰势胶夥▽蝹€液滴在流動的低溫環(huán)境中凝固換熱過程進行了研究，獲得了單個液滴的相變傳熱特性；通過多工況條件模擬計算

7、以及試驗研究結(jié)果驗證，確立了采用O'Rourke定律或軟球模型求解離散顆粒間碰撞的判別準則，并分析了聚并顆粒的流動與換熱特性；獲得了制冰床內(nèi)載冷油介質(zhì)的溫度分布，并與試驗結(jié)果進行了對比，驗證了所建立數(shù)學模型模擬結(jié)果的準確性與可靠性；分析了制冰床內(nèi)離散顆粒相的瞬態(tài)溫度、速度、局部數(shù)密度與體積濃度分布特性，并探討了不同粒徑檔顆粒在床內(nèi)停留時間特性，進一步地揭示了循環(huán)制冰床內(nèi)多相流體系的流動與換熱特性。 在所建立的試驗研究裝置上，對液