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原文传递动态滑阀内低沸点流体输送特性及弯管粘滞汽化数值模拟

论文题名：	动态滑阀内低沸点流体输送特性及弯管粘滞汽化数值模拟
关键词：	弯曲管道;动态滑阀;输送特性;低沸点流体;粘滞汽化现象;曲率半径;数值模拟
摘要：	随着科学技术的快速发展，对管道长距离低沸点流体输送理论与技术的发展提出新的研究方向。本文主要针对管道长距离低沸点流体输送技术进行研究，主要包括:动态滑阀内部的流场水力特性研究和低沸点流体在弯管计算域内的粘滞汽化引起的管道掺汽水流问题。动态滑阀的内部流场特性研究主要是对滑阀启闭过程的流场内部水力特性进行连续监测，得到滑阀在不同启闭开度条件下滑阀内部流场的瞬态压力和流速结构变化规律。弯管的粘滞汽化问题主要是探究低沸点流体流经弯管产生的粘滞汽化现象，分析粘滞汽化现象形成机理以及随着弯管曲率半径的变化，弯管及其下游区域的沿程汽化程度。　　本文以沸点低、粘滞性高的四氧化二氮流体作为研究对象，采用FLUENT软件对动态滑阀的内部流场特性以及弯管计算域内的粘滞汽化问题进行了数值模拟研究与分析。首先建立了动态滑阀和不同曲率半径弯管的数学模型，结合流体偏微分方程及相应的边界条件分别对Fluent软件进行了二次开发，编写了动网格模型以及质量传输模型的UDF程序，为动态滑阀内部流场以及不同曲率半径弯管的粘滞汽化问题的进一步研究提供了理论基础。　　动态滑阀内部流场水力特性的研究引入了VOF两相流模型和动网格模型，用以捕捉滑阀启闭过程中自由面的瞬态变化位置与规律，其研究内容包括相同进液管道入口流量条件和同一滑阀开度条件下，滑阀内部流场的压力特性、流速结构以及两相流分布特点等问题。弯管的粘滞汽化问题的研究引入了质量传输模型和湍流模型实现弯管区域流体碰撞摩擦，形成的气液两相间的相互转化。研究内容包括弯管的压力分布、流速分布、两相流分布规律以及最优弯管曲率半径的确定等内容。通过对以上水力学问题的数值模拟分析得到动态滑阀内部水力特性以及弯管粘滞汽化两相流的分布规律。具体研究成果如下: 　　(1)相同进口流速工况条件，随着滑阀启闭开度的不断增加，出液管道内部的液相流量逐渐增大，流场水面线逐渐提高，液相体积分数逐渐增大，气相体积分数逐渐减小;回流管道的内部流场情况则恰恰相反，气相体积分数逐渐增大，液相体积分数逐渐减小;滑阀开度达到完全开度状态，出液管道的内部红色液相将管道基本充满，回流管道内部的水面线将降至所在管道的底边界上。　　(2)相同滑阀开度工况条件，随着进液管道入口流速的逐渐增大，出液管道与回流管道内部的气相计算域的面积均逐渐减小，且气相计算域的长度范围缩短，液相流体的计算域面积逐渐增大;滑阀位置流体发生湍流作用，液相区域出现局部掺汽现象，两相间水面线的变化幅度较大;回流管道内部水面线平稳不存在明显的剧烈波动现象，滑阀处的雍高水面线较明显。　　(3)相同的进口流速工况条件，混合流体中液相流场压力值明显高于气相流场的压力值;随着滑阀启闭开度的增加，出液管道内部液相流场压力逐渐增大，回流管道内部气相流场逐渐降低，出液管道内部气相流场压力值逐渐增大，回流管道内部气相压力值逐渐降低。　　(4)滑阀所在的水平管道内两侧出现了不同程度范围的低压流场区域;在滑阀开度为一半的位置处，滑阀两侧管道内部的流场低压区域的面积基本相等;动边界滑阀的近壁面区域出现了局部高压区;相同的滑阀启闭开度条件，随着进液管道入口流速的增大，气相流场的压力逐渐增大，液相流场的压力也同时增大，该规律适用于出液管道与回流管道的内部流场计算域。　　(5)相同的进口流速工况条件，随着滑阀启闭开度的增加，平直管道内部流场的水平流速分布规律呈现出对称分布特点。动边界滑阀启闭开度为50％，出液管道的流量基本与回流管道流量相等。随着滑阀启闭开度的增加，水平管道内部的气相流场的平均流速均增大;出液管道内部的液相流场的平均流速逐渐增大，回流管道内部液相流场的平均流速逐渐降低。　　(6)相同滑阀开度工况条件，随着进液管道入口流速的增大，水平管道内部液相流场的平均流速逐渐增大，并且水平管道内部的气相流场平均流速也逐渐增加;动边界滑阀近壁面区域的平直管道下部出现了一定范围的水平低速区域。进液管道内部横向断面流场的流速分布为抛物线分布规律。　　(7)水平管道内部的竖向流速变化规律较为明显的区域为滑阀壁面附近流场区域，其余流场位置的竖向流速基本为零。水面线下降导致平直管道两侧存在一定范围的反向竖向流速区域;对于相同的进液入口流速条件，随着滑阀启闭开度增加，出流管道内部气相流场的竖向流速方向向上，回流管道内部气相流场的竖向流速方向向下，两者的平均流速值均逐渐增加，出流管道内部液相流场的竖向流速逐渐减小，回流管道内部液相流场的竖向流速逐渐增加。　　(8)相同滑阀开度工况条件，随着进液管道入口流速的不断增加，出液管道内部气相流场的平均流速逐渐增大，且流速方向为竖直向上，回流管道内部竖向气相流场平均流速逐渐降低且方向向下。出液管道和回流管道内部流场的液相竖向平均流速均逐渐降低，滑阀近壁面两侧流场的竖向平均流速变化幅度较大的计算区域面积逐渐减小。　　(9)相同的进口流速工况条件，滑阀近壁面流场区域两侧的最大竖向流速值基本相等，表明滑阀开度的变化没有出现流速的突变现象，随着滑阀启闭开度的增大，滑阀两侧流场表现出明显的对称特征。随着滑阀启闭开度的逐渐提高，出液管道内部流场的平均流速逐渐增加，回流管道的内部流场的平均流速逐渐减小，“全开”或“全闭”两种动边界状态的流速分布呈现基本一致的对数分布规律，动边界滑阀近壁面区域出现了紊流工况。　　(10)相同上游管道入口流速条件，其中上游直管段一般不发生粘滞汽化现象，但是下游直管段与弯管区域的末端的粘滞汽化现象较为明显;随着管道弯管段的曲率半径逐渐增大，下游直管道内部的气相流场区域面积呈现先较小后增大的变化规律，该区域掺汽程度先减小后增大。相同管道弯管曲率半径条件，随着上游管道入口流速的增大，下游管道的掺汽程度逐渐增强，气相体积增加，液相体积减小。　　(11)相同的上游管道入口流速条件，随着90度弯管曲率半径的不断增大，整体管道内部流场的温度升高速度呈现先降低后升高的变化趋势;整个管道内部的温度变化从管道入口到管道出口温度逐渐升高，上游直管段温度升高梯度较小，下游直管段的温度升高梯度较大;90度弯管内部流场分布较为均匀，没有出现明显的高速流场区域，气相和液相流场区域的平均速度基本一致。　　(12)相同弯管曲率半径条件，随着上游管道入口流速的增大，下游直管道以及弯管末端的温度变化梯度呈现先降低后升高的变化趋势，弯管区域的压降区域面积呈现先增加后减小，使得弯管下游的整体汽化程度明显先降低后升高;由于流体在弯管段产生粘滞汽化现象，导致上游直管段的横断面流场呈现抛物线型分布规律，但是下游直管段以及弯管区域的流场基本呈现对数分布规律。　　(13)相同的上游管道入口流速条件，随着弯管曲率半径的增大，弯管区域的流速逐渐升高。管道内部从上游到下游压强分布呈现先减小后增大的变化趋势，且在管道内部弯管区域压力值最低。同时随着弯管曲率半径的逐渐增大，弯管区域的低压区域面积先变大后变小，下游流场沿程粘滞汽化引起的气相体积也呈现先减小后增大的变化规律，并且下游直管道的汽化程度沿程逐渐减小。　　(14)管道内部流场上游直管段一般不发生粘滞汽化现象，汽化程度受到弯管曲率半径的影响较大。随着90度弯管曲率半径的增大，弯管下游管道的汽化体积分布曲线变化规律的趋势基本一致，汽化程度呈线性关系逐渐提高;相同90度弯管曲率半径条件，随着上游管道入口流速的提高，管道下游流体的汽化程度呈现减小变化趋势。通过对弯管粘滞汽化问题的数值模拟研究得到弯管粘滞汽化程度随着弯管曲率半径的逐渐减小，呈现出先减小后增大的变化规律，因此，粘滞汽化程度最低的最优弯管曲率半径为0.55m。　　本文的研究为今后低沸点流体在工程领域的长距离输送提供了理论依据，具有较高的学术意义和工程应用价值。
作者：	樊安顺
专业：	水力学及河流动力学
导师：	孙西欢
授予学位：	博士
授予学位单位：	太原理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文