大尺度混合流与非定常流动界面形成规律

摘要：

液泛是指气液两相逆流过程中，部分液体受气体作用被携带至液体进口以上的现象，是限制低温规整填料精馏空气处理量，实现大规模低温空气分离的主要障碍之一。液氮、液氧等低温流体与常规流体相比物性差别巨大，低温液泛机理愈加复杂，常规采用的室温流体液泛实验关联式在低温下的适用性、准确性急待验证。该报告研究液氮温区流体液泛机理，展开了以下4个方面的研究工作：(1)提出了CFD计算的三维规整填料代表性几何结构，阐明了液泛发生前两相流在规整填料结构中的特点。基于水力相似原理，提出由三角通道组成的三维模型，大大减少了网格数。计算分析了润湿面积、出口处液相流量波动、液膜厚度的空间变化以及压降情况。计算结果均与其他研究者的实验观察相符合，从而对液泛发生前的两相流动特性和影响因素有了定量的认识，为液泛形成的进一步理论分析做好准备。(2)建立了竖直圆管中液泛形成过程三维数学模型，揭示了界面波不稳定性与环向传播的内在联系。基于线性稳定性理论，引入了环向波数，建立了相应的环向质量和动量守恒方程，理论求解了竖直圆管中的三维界面波不稳定机理，揭示了界面波不稳定性与两相流速、物性及通道直径的内在联系。计算结果表明，环向波动有利于遏制液泛发生，三维模型预测结果与实验结果吻合较好。(3)建立了倾斜圆管内液泛形成过程的数学模型，揭示了大倾角圆管中液泛气速与管径、倾斜角度及工质物性的内在联系根据倾斜圆管内液膜流动特点及液膜厚度与液泛临界波长间的关系，将圆管内分层流动的三维波进行合理简化，利用线性稳定性理论，建立了适用于计算大角度倾斜圆管内液泛发生临界条件的数学模型。该模型与已公开文献中的实验结果吻合良好，同时充分考虑了圆管结构及工质物性特点，尤其是低温流体的特殊性质对液泛发生的影响。提出了以气液相密度比(RHO)作为初步判断液泛气速值的量度，在计算中发现低温流体的液泛气速远低于室温流体。(4)进行了液氮/氮蒸汽倾斜圆管内液泛的实验研究搭建了倾斜圆管内液泛可视化实验装置，分别采用空气-水以及液氮-饱和氮蒸汽进行了对比实验研究。发现室温流体(水/空气)液泛发生的特征是管内“柱塞”流，且液泛发生时界面波基本保持完整波形。而液氮流体发生液泛时，由于气液密度比远大于室温流体，同时液体粘度极小，使得气体惯性力较大从而能够击碎界面波，形成特有的雾状流动，令通道内的压降小于室温流体。实验测得低温流体的极小液泛气速与理论计算结论相符。

关键词：液泛、线性稳定性理论、液氮、规整填料

所属期刊栏目：13

分类号：V21;TQ0

在线出版日期：2016-10-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共2页

页码：174-175