多組分凝結(jié)性超音速流傳熱傳質(zhì)理論及實驗研究.pdf

1、超音速分離管天然氣除濕凈化技術(shù)較常規(guī)天然氣處理技術(shù)有一系列的優(yōu)點，如設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，重量輕，沒有運動部件，無需消耗任何外部動力等。但是，為了保證超音速分離管具有良好的分離效果，必須了解來自井口的天然氣在超音速分離管的關(guān)鍵部件——-Laval噴管內(nèi)部的超音速流動與凝結(jié)特性，揭示其影響因素，探索有效提高分離效率的技術(shù)途徑。本文的研究目標在于揭示天然氣在噴管內(nèi)的凝結(jié)流動機理，采用理論與實驗相結(jié)合的方法，綜合應(yīng)用非平衡熱力學(xué)、氣體動力

2、學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、兩相流體動力學(xué)以及計算流體力學(xué)等相關(guān)理論對Laval噴管內(nèi)的可壓縮凝結(jié)性氣體的流動過程進行較為系統(tǒng)全面的研究。
　　 首先，根據(jù)噴管內(nèi)水蒸氣凝結(jié)過程，建立了噴管內(nèi)水蒸氣自發(fā)凝結(jié)模型，并與前人結(jié)果進行了對比，表明所建立的數(shù)學(xué)模型能夠正確反映噴管內(nèi)水蒸氣超音速流動凝結(jié)參數(shù)的分布特征。利用所建立的數(shù)學(xué)模型研究了摩擦阻力、噴管膨脹率對水蒸氣自發(fā)凝結(jié)過程的影響，結(jié)果表明，這兩個參數(shù)對水蒸氣的自發(fā)凝結(jié)過程都有明顯而直接的影響

3、。在此基礎(chǔ)上，建立了非均相凝結(jié)流動過程的數(shù)學(xué)模型，研究了外界核心對水蒸氣超音速流動的影響，證明：外界核心的存在對蒸汽的凝結(jié)有明顯促進作用。
　　 建立了噴管內(nèi)雙組份可凝結(jié)氣體混合物超音速流動的數(shù)學(xué)模型，研究了氮氣-水蒸氣、甲烷-水蒸氣、甲烷-壬烷在噴管內(nèi)的超音速流動與凝結(jié)過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮氣-水蒸氣在其它進口參數(shù)相同的條件下，入口壓力、溫度、過飽和度對極限過冷度、成核率、液滴數(shù)、液滴的平均半徑和液相質(zhì)量分數(shù)均有明顯的影響；甲烷-

4、水蒸氣在噴管喉部之后(x=10.0mm)過冷度很快上升到40K左右，達到Wilson點，蒸汽突然開始凝結(jié)，成核率從0急劇上升到1024量級，水滴數(shù)目急劇增加，同時釋放出大量的凝結(jié)潛熱加熱周圍氣體，引起“凝結(jié)沖波”現(xiàn)象；甲烷-壬烷的過冷度沿噴管沿程不斷增大到72K左右才發(fā)生凝結(jié)成核現(xiàn)象。由于液滴數(shù)量較少和壬烷潛熱較小的原因，在壓力和溫度曲線上沒有出現(xiàn)像甲烷-水蒸氣發(fā)生自發(fā)凝結(jié)時那樣明顯的“凝結(jié)沖波”現(xiàn)象。
　　 再后，建立了噴管內(nèi)

5、三組分可凝結(jié)氣體混合物超音速流動的物理模型和數(shù)學(xué)模型，并對甲烷-水蒸氣-壬烷在噴管內(nèi)的超音速凝結(jié)過程進行了模擬研究。研究發(fā)現(xiàn)，水蒸氣的存在，在一定意義上促進了壬烷蒸汽的凝結(jié)。通過對甲烷-水蒸氣-壬烷在噴管內(nèi)超音速流現(xiàn)象的理論分析研究，初步了解了井口天然氣的相關(guān)凝結(jié)特性，為實現(xiàn)對井口天然氣液滴成核與液滴生長的控制、提高超音速分離管的分離效率提供理論依據(jù)。
　　 最后，搭建了用于壓縮空氣凝結(jié)特性測試的實驗系統(tǒng)，并對濕空氣的超音速流動