超声速膨胀器设计及其内部流动研究

借鉴超声速喷管和传统涡轮结构与特性,设计了超声速膨胀器。对其内部三维流场的数值研究结果表明,超声速膨胀器能够实现气流膨胀加速,膨胀波的出现导致静压沿节距方向分布不均,流道出口附面层分离、回流、低能流体与主流掺混以及激波附面层相互作用是能量损失的主要来源。     

光腔与扩压器化学反应流场优化数值模拟

氧碘化学激光器(COIL)在化学反应条件下,由于光腔及扩压器的气流通道内存在残余化学反应放热,从而导致"热堵"现象发生,影响了扩压器的正常启动及光腔内超声速流场的流动品质。采用数值模拟方法对COIL光腔与超声速扩压器流道内的化学反应流场进行研究,对超声速扩压器插入段的长度、楔形体的数量级扩散段长度对化学反应流场的影响进行研究。数值模拟结果表明:通过优化插入段及楔形体长度、取消扩压器侧壁的半楔形体,改善了因化学反应放热对光腔及扩压器流场造成的不利影响。优化后,光腔内的流动不再受气流分离产生的斜激波的影响,扩压器二喉道内的分离现象消失,扩压器壁面的分离区减小,出口流动更加均匀,"热堵塞"现象消失。化学反应条件下的气流总压损失比冷流时提高约15%,光腔与扩压器的总压恢复系数为0.426,进出口的静压比为3.75,比优化前提高了约25%。     

离心叶轮内三维湍流流场的实验研究

利用多普勒激光测速仪对闭式后弯离心叶轮内三维湍流流场进行了实验研究。叶轮在带有无叶扩压器的通风机内运行。对整个流道内各流面的测点进行了详细的数据采集和统计．由得到的测量结果,分析了叶轮内回转面、径向面上主流速度的分布及发展趋势,气流角由叶轮进口向出口、由压力侧向吸力侧的变化规律、以及叶轮出口处二次旋涡流动等流动特性。     

Laval喷管气体超声速凝结流动实验研究

Laval喷管是超声速旋流分离技术的核心装置,气体在喷管内高速膨胀产生的低温效应可实现混合气体中可凝组分的冷凝分离。为明确喷管内超声速凝结流动规律,建立了超声速凝结流动实验系统,研究了Laval喷管内气体凝结流动过程,并重点对比分析了膨胀角为1.5°/3°/5°时喷管内的凝结流动参数。结果表明:气体在喷管内流动,温度压力不断降低,气体在喷管喉部处发生凝结,液滴数目急剧增长。喷管膨胀角对气体凝结过程影响明显。喷管膨胀角越大,喷管压力温度下降越快,喷管制冷效果越好。与此同时,凝结产生的液滴数目越多,半径越小。     

入口压力对天然气超声速液化特性的影响

为研究入口压力对天然气混合物超声速液化特性的影响规律,建立了三维双组分天然气混合物超声速凝结流动数学模型,对Laval喷管内双组分混合物凝结流动进行了数值模拟,得出了沿Laval喷管轴向的参数分布,通过开展双可凝组分气体凝结相变实验,对比发现数值模拟与实验结果基本一致,说明了所建立的数学模型及计算方法的正确性。还研究了入口压力对甲烷-乙烷混合物超声速液化特性的影响,结果表明,保持Laval喷管入口温度及组成不变,增大入口压力,混合气体成核位置前移,成核率、平均液滴半径、液相质量分数均随之增大,即入口压力越大,混合气体在Laval喷管内越易发生凝结,在实际生产中可以通过调节入口压力来促进天然气的凝结,提高Laval喷管的液化效率。     

固体颗粒与通道壁面相互作用的实验研究

本文通过实验研究了在一个水平直通道和三个倾斜通道内固体颗粒沿着主气流的方向运动,与通道壁面发生碰撞及和主气流掺混的特性。实验采用了PIV测试技术,获得了在流道中固体颗粒及气流的大量的瞬态及对应的时均流场数据。测量采用流场可视化技术,再现了流场的动态细节。在对实验数据分析的基础上,总结了有关颗粒扩散及与固壁碰撞的一些规律,定量阐述了固体颗粒与壁面碰撞的规律,提出了恢复系数为粒子入射速度与角度函数的模型。     

复杂换热条件下离心压气机内部传热特性研究

油雾在离心压气机扩压器壁面上的碳化结焦导致压气机效率急剧下降,离心压气机冷却是减少结焦的有效方法,研究压气机内温度分布及传热特性是压气机冷却结构设计的重要依据。本文基于流-热耦合数值分析方法和实验手段,对强换热条件下离心压气机内温度分布进行了分析和验证,研究了不同工况条件下压气机冷、热端传热特征以及扩压器表面温度分布特性。结果表明,压气机内压缩空气为主要热源,与之接触的壳体具有较高温度,扩压器表面最高温度出现在入口处轮毂侧。流体内近壁面温度梯度较大。扩压盘表面传热系数沿径向显著降低,说明边界层的发展阻碍流固间传热,采取冷却措施将有效降低壳体温度,抑制结焦现象。     

Laval喷管内天然气低温脱除硫化氢机理

为了揭示低温条件下天然气中硫化氢气体超声速凝结特性,为实现天然气超声速旋流分离技术在天然气脱硫化氢领域的应用提供理论依据,建立了甲烷-硫化氢双组分气体超声速凝结流动数学模型,对Laval喷管内不同组分比例条件下甲烷-硫化氢双组分气体凝结流动进行了数值模拟,得出了Laval喷管内温度、压力、速度、成核率、液滴数目、液滴半径、液相质量分数的分布情况。结果表明,随着入口硫化氢含量的增加,入口过冷度增加,更容易达到凝结所需要的极限过冷度,成核发生位置越靠近喉部,且成核区间变窄,极限成核率增大;硫化氢气体凝结释放的潜热对流场产生影响,使得马赫数和过冷度略有降低,之后几乎保持稳定至出口;入口硫化氢含量较高时,硫化氢液滴半径较大,Laval喷管出口液相所占比重较大;而当入口硫化氢含量较低时,液滴半径明显减小,Laval喷管出口液相硫化氢所占比重几乎为0,硫化氢的脱除效率较低。     

超声速预混可燃气流的点火与燃烧

在激波风洞一激波管组合设备上开展了碳氢燃料超声速预混可燃气流的点火与燃烧实验研究。实验结果表明:利用激波对燃料进行预热,并以高温燃气作为引导火焰,可以有效缩短汽油空气超声速可燃混气的点火延迟时间,使之缩短到 0.2 ms以下。利用纹影照片对超声速燃烧流场结构作出了分析;研究了超声速预混可燃气流的温度以及当量比对超声速燃烧流场结构、点火与火焰传播特性的影响。     

火电厂直接空冷凝汽器传热性能实验研究

直接空冷凝汽器的传热性能是火电厂空冷机组优化运行和设计的重要依据.针对实际运行的某典型600 MW直接空冷机组的冷端系统,利用红外热像仪测量了不同空冷凝汽器翅片管束表面的温度分布,并与热电偶测量的温度进行比较分析.发现,受管内蒸汽流向和凝汽器冷却三角内空气流场的综合影响,顺流和逆流凝汽器的壁面温度都表现出从上至下逐渐上升的趋势,为进一步预测凝汽器空气侧流场特性和进行空气侧的传热强化提供了参考;通过实验研究,获得了机组空冷凝汽器单元空气侧传热系数关联式.本文的结果对变工况条件下空冷机组的优化运行以及空冷凝汽器设计的改进具有指导意义.     

旋转气固两相流动与分离数值模拟

针对旋转气固两相流分离及其应用问题,研究旋转气固两相流中尘粒的运动特性及分离效率,提出了分离效率的计算式.考虑尘粒间碰撞与并聚、喷水对尘粒间碰撞与并聚的影响,数值模拟研究旋转分离器内气固两相流场、尘粒运动特性及分离效率.研究结果表明分离器结构对流场和压力场有显著影响,且尘粒并聚有利于提高分离效率.     

Analytical model for the magnetophoretic capture of magnetic microspheres in microfluidic devices

Magnetic microspheres are used as mobile substrates in micro-total-analysis systems (μTAS), since the particles can be selectively functionalized to attach different bioconjugates and can be precisely manipulated using external magnetic field gradients. A large number of MEMS-based bio-analytical devices employ magnetophoretic separation as an important step during their operation. An analytical technique is proposed in this paper that describes the magnetophoretic transport of magnetic microspheres under an imposed magnetic field when there is a pressure-driven or electroosmotic flow through a microchannel. Successful magnetophoretic capture occurs if the strength of the field-inducing magnetic dipole exceeds a critical value, or if the particles are larger than a critical size. The magnetophoretic separator performance is characterized in terms of capture efficiency. The analysis shows that the capture efficiency is a function of two independent non-dimensional parameters, λ and γ that in turn involve all the physical design and operating parameters of the microfluidic separator, e.g., the dipole strength, particle size and susceptibility, fluid viscosity and velocity, channel height, and the separation of the dipole. Parametric plots of capture efficiency as function of λ and γ helps in choosing the right design and operation parameter of a practical microfluidic separator for a target level of performance.     

螺旋管内气液固三相流颗粒相分布规律

为了深入认识螺旋管多相流相分离现象,并为新型螺旋管除砂器设计提供指导,本文应用马尔文粒度仪,测量了螺旋管气水砂三相流底部水平段液膜中的颗粒浓度和粒度分布。研究表明:在泡状流和分层流条件下,螺旋管底部水平段可形成稳定的连续液膜流动;在宽广的气速范围内,液膜中的颗粒浓度分布规律均为内弯侧较低、外弯侧较高,说明螺旋管除砂器对于实际生产中流动工况的变化具有良好的适应性;泡状流中提高气速有利于分离;分层流中在中等气速条件下外弯侧颗粒浓度最大,中等气速是相分离的最佳操作工况。     

向心透平级叶轮内三维复杂流动的数值研究

对向心透平叶轮内部复杂流动在级环境下进行了全三维黏性数值模拟,结合拓扑学原理分析了设计工况和非设计工况下其内流动分离及各种涡系发展的演变过程,初步建立了向心透平叶轮内的旋涡模型,阐述了流动损失的形成机理。研究表明:向心透平叶轮内部涡系与轴流式透平存在较大差别,且流动分离及涡系主要集中在吸力面侧;设计工况下向心透平叶轮内的主要旋涡包括马蹄涡、通道涡及泄漏涡,其主要表现为通道涡与泄漏涡相互影响和掺混,是主要损失的形成原因;非设计工况下,主流在叶轮叶片前缘处发生大范围的分离及回流,造成了较大的能量损失,但二次流损失所占比例较小。     

旋流式气液分离器内流场的数值模拟

气液分离器作为制冷系统中的关键部件,其分离性能的优劣对系统有着重要的影响。为了研究旋流式气液分离器的分离性能,首先从理论上介绍了旋流式气液分离器的分离机理,列出其主要结构参数,然后基于计算流体动力学(CFD)方法,采用Gambit建模,利用Fluent软件,对旋流式气液分离器进行了模拟仿真,并对进口附近壁面速度场、不同尺寸和进出口截面流场矢量图、纵向剖面气液体积分数分布图等进行了重点分析。仿真结果表明设计是正确、合理的。     

非共沸混合工质自复叠热泵循环试验研究

单级压缩式热泵冷凝温度与蒸发温度之差一般为40~50℃,非共沸混合工质自复叠循环具有工作温差大的优点,将其应用于热泵循环,则可产生较大的供热温差。该文通过搭建一个空气源自复叠热泵实验台,利用NIST公司的制冷剂物性数据库Refprop7,绘制出了混合工质的温度-浓度图。经过实验,分析了自复叠热泵循环工作温差的影响因素,得出了自复叠热泵气液分离器简单分离对增大工作温差的作用有限,增加工质的相对挥发度也不能显著改善热泵的运行性能等结论。并进一步得出了增设分凝设施可显著增大工作温差的结论。     

Modelling of particle paths passing through an ultrasonic standing wave

Within an ultrasonic standing wave particles experience acoustic radiation forces causing agglomeration at the nodal planes of the wave. The technique can be used to agglomerate, suspend, or manipulate particles within a flow. To control agglomeration rate it is important to balance forces on the particles and, in the case where a fluid/particle mix flows across the applied acoustic field, it is also necessary to optimise fluid flow rate. To investigate the acoustic and fluid forces in such a system a particle model has been developed, extending an earlier model used to characterise the 1-dimensional field in a layered resonator. In order to simulate fluid drag forces, CFD software has been used to determine the velocity profile of the fluid/particle mix passing through the acoustic device. The profile is then incorporated into a MATLAB model. Based on particle force components, a numerical approach has been used to determine particle paths. Using particle coordinates, both particle concentration across the fluid channel and concentration through multiple outlets are calculated. Such an approach has been used to analyse the operation of a microfluidic flow-through separator, which uses a half wavelength standing wave across the main channel of the device. This causes particles to converge near the axial plane of the channel, delivering high and low particle concentrated flow through two outlets, respectively. By extending the model to analyse particle separation over a frequency range, it is possible to identify the resonant frequencies of the device and associated separation performance. This approach will also be used to improve the geometric design of the microengineered fluid channels, where the particle model can determine the limiting fluid flow rate for separation to occur, the value of which is then applied to a CFD model of the device geometry.     

新型高效汽水分离器的试验研究

汽水分离装置是核电站蒸汽发生器净化蒸汽的重要部件,其性能不仅会影响蒸汽发生器的上筒体尺寸、水循环性能及水位的稳定性,而且还会影响汽轮机的正常运行。由于波形板内的两相流动过程很复杂,目前国外对汽水分离器的研究仍以实验为主。本文则针对冷态条件下新型波形板汽水分离器的分离性能进行了试验研究,验证了二次携带现象的存在,并测量了双钩波形板汽水分离器的分离效率和压降,分析了挡板对分离效率的影响,获得了计算双钩波形板分离效率的经验公式,为波形板分离器的优化设计奠定了基础。     

离心叶轮内三维分离流态的拓扑分析

本文主要是用拓扑分析的方法,根据实验给出的流场信息,来确定流场结构的性质和研究这些性质随流动参数变化的规律,从而得到对流场特性的定性认识。这里着重讨论了离心叶轮内表面分离流态,指出叶片吸力面和压力面不同的分离形式,分析了叶片表面奇点分布规律,建立了叶道内三维流动分离模型。     

Numerical modeling of the trajectories of plastic granules in a tribo-aero-electrostatic separator

A tribo-aero-electrostatic separator has been recently patented for the selective sorting of granular plastics mixtures generated during the recycling of waste electrical and electronic equipments (WEEE). The plastics are tribo-charged in a parallelepiped fluidized bed device, two opposite walls of which being the electrodes that generate the electric field that performs the separation. In two previous papers, different sets of operating parameters of this separator have been studied by hundreds of experiments, in order to improve the efficiency of the process and the purity of the products. The aim of the present paper is to complement these studies by establishing a model for computing the trajectory of plastics granules in such separator. The distribution of electric field and the profile of the airflow between electrodes were expressed using simple analytical formulas, which were introduced in the system of differential equations that served for the calculation of granule trajectories under the action of the various electric and mechanical forces. The computations were performed for various operating parameters: applied-voltage, granule size, charge density. The model can guide the design of industrial tribo-aero-electrostatic separators and the choice of the optimum values of the operating variables of such equipment.