濕空氣透平（HAT）循環(huán)飽和器內(nèi)傳熱傳質(zhì)機(jī)理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究.pdf

1、HAT循環(huán)以高效率、高比功、污染小、變工況性能好、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)而聞名。飽和器是HAT循環(huán)的關(guān)鍵部件，其加熱、加濕性能的好壞直接影響到整個循環(huán)的效率。本文的目的是通過對飽和器內(nèi)部典型的氣液兩相流動和傳熱、傳質(zhì)的過程的深入研究，豐富對這種復(fù)雜流動現(xiàn)象的認(rèn)識，為研制高性能的飽和器積累關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和提供重要的理論根據(jù)。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類先進(jìn)的測量技術(shù)的不斷出現(xiàn)，如激光動態(tài)粒子分析儀(PDA)、粒子圖像測速儀(PIV)和高速攝

2、像機(jī)等，為實(shí)驗(yàn)研究提供了新的測量工具；同時計算機(jī)性能的飛速提高和計算流體力學(xué)技術(shù)的日趨完善，基于求解三維粘性Navier-Stokes方程、可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型、顆粒運(yùn)動控制方程、噴霧模型和考慮湍流擴(kuò)散效應(yīng)的分散顆粒群模型等的數(shù)值模擬方法，為飽和器內(nèi)氣液兩相流動的研究提供了強(qiáng)大的手段。本文正是通過實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了飽和器內(nèi)氣液兩相流動和傳熱、傳質(zhì)過程。 本文主要研究內(nèi)容和研究成果如下：1.利用激光PDA測量系統(tǒng)

3、，測量了改進(jìn)設(shè)計的離心式噴嘴噴霧場內(nèi)球形水滴的二維平均速度、算術(shù)平均粒徑、平均體積流量、濃度以及采集數(shù)據(jù)的有效率等參數(shù)的分布情況。改進(jìn)的離心式噴嘴有良好的霧化性能和軸對稱性，在各工況下噴霧水滴的算術(shù)平均粒徑均小于100μm，噴霧水滴的粒徑比較均勻。噴嘴有較小的噴霧角，而且隨水壓變化幾乎不變。 2.設(shè)計、搭建了飽和器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并且新研制了相對濕度、溫度等參數(shù)的測量技術(shù)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是國內(nèi)目前擁有實(shí)驗(yàn)手段最完善的飽和器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

4、 3.首次較系統(tǒng)地測量了多個工況下逆流式飽和器總體加熱和加濕性能，以及其內(nèi)部濕空氣的相對濕度場、溫度場和水滴的溫度場。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計算給出了飽和器內(nèi)濕空氣的含濕量和測量高度間濕空氣的加濕量。隨氣流速度的增大飽和器結(jié)構(gòu)帶來的總壓損失增大。由噴霧場引起的氣流總壓損失隨著水壓的增大而增大。在所有實(shí)驗(yàn)工況下，飽和器出口濕空氣接近于飽和。隨水氣質(zhì)量比的增大，飽和器出口濕空氣的溫度和溫升也相應(yīng)增大。濕空氣的含濕量和水的蒸發(fā)量、出口溫度隨進(jìn)口水溫

5、升高、水氣質(zhì)量比增大而增大。隨空氣速度增大水滴逃逸量增大。在測量區(qū)域內(nèi)，濕空氣和水滴之間的溫差較小，在靠近噴嘴出口氣液溫差最大。 4.利用三維粒子動態(tài)分析儀PDA測量系統(tǒng)，成功地測量了飽和器內(nèi)球形水滴的三維平均速度、平均粒徑和平均體積流量，同時也利用二維激光粒子速度分析儀PIV測量系統(tǒng)，測量了飽和器內(nèi)單相氣流和氣液兩相流動的瞬態(tài)流場。飽和器內(nèi)水滴的軸向速度隨著離開噴嘴出口的軸向距離增大而減小，同時由噴霧錐中心到邊緣逐漸減小。水滴

6、算術(shù)平均D10以及Sautor平均粒徑D32在整個測量段內(nèi)都有比較小的值，D10大概為30μm。氣液兩相測量結(jié)果顯示，在噴霧錐的外測形成了兩個大地渦流區(qū)。渦流區(qū)很不穩(wěn)定，隨著時間的變化它們位置和大小也在變化。 5.利用FLUENT軟件平臺對飽和器內(nèi)部氣液兩相流動以及傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了三維數(shù)值分析。氣流單相流場的數(shù)值模擬的流場與實(shí)驗(yàn)PIV測量的流場在分布規(guī)律基本相同。由空氣的三維速度分布可知，飽和器內(nèi)氣液相互作用強(qiáng)烈，流場紊流度很

7、高，形成多個渦流區(qū)。濕空氣的相對濕度和溫度從飽和器進(jìn)口到出口依次增大，在噴嘴出口有最大值。噴霧水滴在噴嘴出口具有最大的速度和溫度，隨著水滴的運(yùn)動其速度和溫度迅速降低，而且部分水滴隨氣流一起運(yùn)動。計算所得飽和器內(nèi)水滴的算術(shù)平均粒徑D10為52.3μm大于實(shí)驗(yàn)中PDA在測量段內(nèi)的測量值。計算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。另外也給出了不同粒徑的水滴在不同噴霧速度和氣流速度下的最大行程。 6.最后利用高速攝影技術(shù)初步研究了單個水滴在具有不同速