液-液循環(huán)流化制取流體冰的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、液-液循環(huán)流化制取流體冰是一項(xiàng)新提出的動(dòng)態(tài)制冰方法。該方法基于液-液霧化理論與工程上廣為應(yīng)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(yīng)用于大規(guī)模制冰場(chǎng)合，同時(shí)還具有裝置簡(jiǎn)單、運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在冰蓄冷技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)該流體冰制取新技術(shù)所涉及的幾方面關(guān)鍵問(wèn)題，如：液-液霧化機(jī)理與特性、液-液循環(huán)流化動(dòng)態(tài)制冰特性、制冰床體內(nèi)液-液-固多相流動(dòng)與換熱特性、液-液循環(huán)流化制冰過(guò)程的熱力學(xué)特性等，本文基于試驗(yàn)與數(shù)值模

2、擬研究手段，進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究與分析。研究?jī)?nèi)容分為以下五個(gè)部分。 建立了液-液霧化試驗(yàn)研究裝置，對(duì)液-液霧化體系的霧化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)大范圍地改變?cè)囼?yàn)工況條件，獲得了液-液霧化形態(tài)發(fā)展與演變的全過(guò)程；捕捉了射流高度的時(shí)間脈動(dòng)特性，分析了射流非穩(wěn)定發(fā)展與其動(dòng)態(tài)破碎特性，并探討了不同霧化形態(tài)中射流高度脈動(dòng)強(qiáng)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(duì)霧化特性的

3、影響規(guī)律。同時(shí)，基于在循環(huán)流化制冰裝置中的應(yīng)用背景，在制冰工況溫度范圍內(nèi)對(duì)液-液霧化特性進(jìn)行了研究，著重探討了載冷介質(zhì)粘度變化對(duì)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(yàn)研究的同時(shí)，為了深入地發(fā)掘液-液霧化體系的霧化機(jī)理與特性，本文并行地展開(kāi)了數(shù)值模擬研究。針對(duì)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(xué)求解模型，采用VOF/CSF方法準(zhǔn)確追蹤液-液相間具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)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(dòng)場(chǎng)；從時(shí)間與空間微觀尺度層面對(duì)三種典型霧化形態(tài)的霧化特性細(xì)節(jié)進(jìn)行了描述；將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了多方位地對(duì)比與分析，驗(yàn)證了本文所建立數(shù)學(xué)模型的適用性以及數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性；采用無(wú)量綱參數(shù)就不同因素對(duì)三種典型霧化形態(tài)霧化特性的影響進(jìn)行綜合、系統(tǒng)地分析，進(jìn)一步地揭示了液-液霧化體系的霧化機(jī)理與特性。 建立了流體冰制取試驗(yàn)研究裝置，對(duì)液-液循環(huán)流化動(dòng)態(tài)制冰特性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的試驗(yàn)研究

5、。結(jié)合多種粒徑分布描述方法全面地對(duì)所制取冰晶的粒徑分布特性進(jìn)行了分析，并揭示了關(guān)鍵操作參數(shù)的影響規(guī)律；通過(guò)擴(kuò)大試驗(yàn)工況參數(shù)范圍，獲得了關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)冰晶平均尺寸的影響規(guī)律；通過(guò)多工況調(diào)試與分析以及大量的驗(yàn)證性試驗(yàn)，獲得了制冰裝置平衡運(yùn)行狀態(tài)下關(guān)鍵操作參數(shù)間的相互依賴(lài)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(dòng)體系的宏觀換熱特性；同時(shí)，基于圖像采集系統(tǒng)與數(shù)字圖像處理等方法實(shí)時(shí)捕捉了不同床高處離散顆粒的流動(dòng)形態(tài)

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

7、以及試驗(yàn)研究結(jié)果驗(yàn)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(zhǔn)則，并分析了聚并顆粒的流動(dòng)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所建立數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)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(shí)間特性，進(jìn)一步地揭示了循環(huán)制冰床內(nèi)多相流體系的流動(dòng)與換熱特性。 在所建立的試驗(yàn)研究裝置上，對(duì)液