T型圓管內蒸汽直接接觸凝結的實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

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

2、管內飽和蒸汽與流動過冷水的直接接觸凝結現(xiàn)象，主要工作內容包括如下三部分，(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動狀態(tài)進行拍攝和分析，獲得了由汽液界面運動特性所表征的六種典型凝結流型:劇烈間歇凝結、輕微間歇凝結、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的汽羽特征和換熱特性，關聯(lián)了該流型的無量綱汽羽長度、

3、平均凝結換熱系數(shù)和相應的努塞爾數(shù)。對影響汽液界面運動狀態(tài)的過冷水溫度、過冷水體積流量、蒸汽質量流量和主管尺寸等四個參量及其影響汽液間熱質傳遞機理進行了闡釋。并依據可視化實驗的汽液界面照片，構建了T型管內的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)測點處的壓力和溫度信號。根據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流型的壓力和溫度時域

4、曲線。結合可視化實驗和壓力時域曲線，對蒸汽直接接觸凝結誘發(fā)壓力振蕩機理進行了揭示，即當蒸汽泡破裂后瞬間凝結時，蒸汽泡區(qū)域附近的壓力急劇降低從而產生相對真空，繼而周圍的冷水迅速沖向汽泡原所占空間，從而產生水力沖擊。進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流型之間的聯(lián)系。關于溫度波動，本文著重研究了劇烈間歇凝結時支管內部的溫度波動特征。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、蒸汽質量流量和主

5、管尺寸等四個參量及其作用機理進行了分析。根據各工況下的壓力振蕩谷值和自定義的無量綱準數(shù)Lu=Ge·Te/Gwm·Tw，構建了基于壓力信號的凝結流型圖。
　　(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SDCC進行數(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，基于以往文獻的實驗結果和本文的實驗結果分別對大池內

6、和T型管內SDCC數(shù)值模擬結果進行了驗證。在模型和數(shù)值計算可靠性驗證基礎之上，進一步分析了T型管內SDCC的壓力云圖、流線圖、溫度云圖和凝結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會導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誘發(fā)壓力振蕩和水力沖擊的機理。界面附近的溫度過渡區(qū)以及凝結速率僅體現(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