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工业管内高温高压流体多相流动特性研究
| 论文题名： | 工业管内高温高压流体多相流动特性研究 |
| 关键词： | 工业管路;亚/超临界水氧化;壁面磨蚀效应;高温高压流体;多相流动特性 |
| 摘要： | 亚/超临界水氧化是工业处理有机废物的新技术，该工艺涉及高温高压下复杂多相流体输运、无机盐析出及其对管路壁面造成的磨蚀效应等，这些问题极大地制约了该技术的发展与应用。工艺中物料通常由多组分气、液、固三相构成，同时在流动过程中，压力的少许改变将导致工质物性剧烈波动，进而引发相变使得流动过程具有强非线性的特点，因此涉及复杂组分输运或压降控制的管路设计与优化是急需明晰的关键问题。此外，输运条件的复杂性也使得实验研究具有一定难度，而基于多相流模型并结合数值模拟是探究复杂流动过程的有效手段。本文以亚/超临界水氧化工艺中涉及的强非线性流动阻力特性计算为背景，选取工业上典型管路单元进行三维非稳态数值模拟，模型考虑了强非线性物性变化、减压相变以及无机盐的析出等，进行了如下三方面工作： 首先构建了强非线性物性变化耦合减压相变的混合多相流模型。基于Aspen Plus中的二元电解质模型获得工质物性参数，并将其拟合为随温度和压力变化的方程；随后通过自定义函数将方程耦合到模拟软件中，并对模型进行网格无关性检验；最后以文献中汽-水体系的压降经验公式及流动相变传热过程的传热系数对模型加以验证。结果表明采用本文建立的模型对管路内高温高压多组分气液两相流动特性的模拟方法准确可行。 其次，基于典型管路元件，获得了复杂多组分气液两相流的流场、相分布以及阻力特性，考察了管路内压力、温度、流速以及气含率等参数的演变规律。结果表明不同管路单元内温度均沿流动方向逐渐降低，气含率则逐渐升高；压力分布呈现显著差别，其中水平等径管内压降随管径增大而降低，但过程中存在16mm的临界管径。渐扩管路内压降随扩张比增加而降低；而当扩张比一定时，压降则随渐扩段管路长度增加先降低后升高，即存在一个压降最低点。渐缩管路内压降随收缩比增加而增大；而当收缩比一定时，压降随渐缩段管路长度增加呈现出先减小后增大再减小的变化趋势，表明通过对渐缩管路长度的合理选取可以实现快速降压。弯管内压降随管径增大而降低，随曲率半径增大先升高后降低，但整体变化不显著。 第三，采用Mixture模型结合DPM模型初步探究了盐析出与流动耦合特性，分析了管内高流速下颗粒的运动轨迹及其对管路壁面的磨蚀特点。结果表明弯管内颗粒对管路壁面磨蚀效应主要分布在弯头及弯头出口与直管连接处，且随管径的增大，最大磨蚀量逐渐减小；同时，最大磨蚀量随曲率半径的增大先维持不变再急剧降低后又恢复平稳，且弯头处磨蚀效应较为显著，同时，与管路内壁面相比，外壁面磨蚀更严重。 |
| 作者： | 胡忠新 |
| 专业： | 化学工程 |
| 导师： | 兰忠 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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