T型圓管內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)的實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、當(dāng)蒸汽遇到過冷水時會發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為蒸汽直接接觸凝結(jié)(Steam Direct Contact Condensation-SDCC)。蒸汽直接接觸凝結(jié)是一種較為強(qiáng)烈的熱質(zhì)傳遞過程，具有復(fù)雜的流動、傳熱與相變物理機(jī)制。蒸汽直接接觸凝結(jié)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在，過程中常伴隨溫度、壓力等波動特征，這些波動特征與相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行密切相關(guān)。因此，對蒸汽直接接觸凝結(jié)現(xiàn)象開展研究具有一定的科學(xué)意義和實際價值。
　　本文的研究對象為T型圓

2、管內(nèi)飽和蒸汽與流動過冷水的直接接觸凝結(jié)現(xiàn)象，主要工作內(nèi)容包括如下三部分，(1)可視化實驗研究;(2)壓力和溫度波動特性實驗研究;(3) CFD數(shù)值模擬研究。
　　(1) SDCC可視化實驗研究。實驗中采用高速攝影對汽液界面的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行拍攝和分析，獲得了由汽液界面運(yùn)動特性所表征的六種典型凝結(jié)流型:劇烈間歇凝結(jié)、輕微間歇凝結(jié)、射流、振蕩泡狀流、分層流和攪拌流。本文著重分析了射流凝結(jié)的汽羽特征和換熱特性，關(guān)聯(lián)了該流型的無量綱汽羽長度、

3、平均凝結(jié)換熱系數(shù)和相應(yīng)的努塞爾數(shù)。對影響汽液界面運(yùn)動狀態(tài)的過冷水溫度、過冷水體積流量、蒸汽質(zhì)量流量和主管尺寸等四個參量及其影響汽液間熱質(zhì)傳遞機(jī)理進(jìn)行了闡釋。并依據(jù)可視化實驗的汽液界面照片，構(gòu)建了T型管內(nèi)的SDCC流型圖。
　　(2) SDCC壓力和溫度波動特性實驗研究。實驗中采用壓力和溫度采集系統(tǒng)記錄同一工況實驗過程中不同監(jiān)測點(diǎn)處的壓力和溫度信號。根據(jù)壓力和溫度測量信號，分析了與可視化實驗工況相同的六種典型凝結(jié)流型的壓力和溫度時域

4、曲線。結(jié)合可視化實驗和壓力時域曲線，對蒸汽直接接觸凝結(jié)誘發(fā)壓力振蕩機(jī)理進(jìn)行了揭示，即當(dāng)蒸汽泡破裂后瞬間凝結(jié)時，蒸汽泡區(qū)域附近的壓力急劇降低從而產(chǎn)生相對真空，繼而周圍的冷水迅速沖向汽泡原所占空間，從而產(chǎn)生水力沖擊。進(jìn)一步分析了壓力振蕩的主頻和幅值，闡述了壓力信號時頻特征與凝結(jié)流型之間的聯(lián)系。關(guān)于溫度波動，本文著重研究了劇烈間歇凝結(jié)時支管內(nèi)部的溫度波動特征。與可視化實驗類似，對影響壓力和溫度波動的過冷水溫度、過冷水體積流量、蒸汽質(zhì)量流量和主

5、管尺寸等四個參量及其作用機(jī)理進(jìn)行了分析。根據(jù)各工況下的壓力振蕩谷值和自定義的無量綱準(zhǔn)數(shù)Lu=Ge·Te/Gwm·Tw，構(gòu)建了基于壓力信號的凝結(jié)流型圖。
　　(3) CFD數(shù)值模擬研究。在FLUENT平臺上，基于雙阻力冷凝模型并編寫相應(yīng)的并行UDF程序，選用VOF兩相流模型和LES湍流模型對T型管內(nèi)SDCC進(jìn)行數(shù)值計算。
　　為驗證所選計算模型及所編寫的并行UDF程序的可靠性，基于以往文獻(xiàn)的實驗結(jié)果和本文的實驗結(jié)果分別對大池內(nèi)

6、和T型管內(nèi)SDCC數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證。在模型和數(shù)值計算可靠性驗證基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步分析了T型管內(nèi)SDCC的壓力云圖、流線圖、溫度云圖和凝結(jié)速率云圖等界面特性。壓力云圖和流線圖分別闡釋了蒸汽直接接觸凝結(jié)會導(dǎo)致汽液界面附近的壓力和流場突變，從而揭示了由蒸汽凝結(jié)誘發(fā)壓力振蕩和水力沖擊的機(jī)理。界面附近的溫度過渡區(qū)以及凝結(jié)速率僅體現(xiàn)在界面附近的現(xiàn)象，表明了蒸汽直接接觸過冷水的熱、質(zhì)傳遞過程主要發(fā)生在汽液界面附近。
　　通過上述實驗和數(shù)值模