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二氧化碳稀释与超临界混合流体热质传递现象及机理研究

李天  
【摘要】:伴随着人类经济社会的高速发展,化石能源的大量使用导致大气中二氧化碳含量日益升高,由此带来了非常严重的环境问题,如近年来备受关注的“温室效应”问题。为此世界各国都纷纷提出了切实的节能减排计划并积极努力开发新型应用技术。但是,如果直接限制二氧化碳的排放从一定程度上来说也会对一国经济发展造成阻碍。因此研究二氧化碳的高效捕集技术既能够带来较好的经济社会效应的同时,也能够为保护自然环境,缓解甚至抑制温室效应做出积极贡献。除此之外,在化工、炼油、冶金、生化等工业过程中存在大量的气液传质现象,由于实际过程的复杂性,现实生产中缺乏有效的测试手段。因此建立起一套精确有效的测试系统是非常有必要的。在现有实验条件下尚没有一种理论能够精确预测气泡传质行为。因此系统完整的研究气泡在液相流体中的传质行为具有重要的研究意义和实际使用价值。本文设计了一套可用于研究二氧化碳气泡稀释传质过程可视化的实验系统,在不同温度和压力条件下对不同初始尺寸的气泡变化图像进行了实时采集,对数据进行分析整理后获得如下结论:1.气泡传质过程中直径变化服从分区规律,包括快速区、转折区、慢速区。快速区内气泡直径变化非常迅速,慢速区变化速度最慢,转折区内是一个由快而慢的渐进变化过程。一般情况下快速区持续时间在200s左右,转折区持续时间在100s左右,而慢速区持续时间则多长达2000s以上。2.转折时间与压力和温度相关。压力越大转折半径越大,转折时间越短,温度越低,转折时间越长,但总体而言差距并不是很大。3.不同区域内传质速率相差非常之大,同一工况下,快速区传质速率与慢速区传质速率相差3~4个数量级,相同压力条件下,温度较低时传质速率较大。4.考察了表面张力与浮升力对气泡接触角的影响,结果表明当气泡尺寸较大时,浮升力占据主导作用,接触角较小,当气泡半径小于0.7mm左右时表面张力占据主导作用。5.气泡动态接触角的变化与气泡尺寸变化规律息息相关,快速区内气泡动态接触角迅速增大,慢速区内气泡平衡接触角基本维持稳定。平衡接触角的大小与压力状态呈线性关系,实验研究范围内平衡接触角均小于90°。6.采用数值模拟的方法对定界面与自由界面条件下气泡变化过程进行了相关计算分析,数值结果表明,气泡变化受温度与压力影响。此外,工业领域中也存在大量超临界混合流体的传热传质现象,对于诸多特殊而重要的场合具有很强的现实研究意义,如低温、空分、能源等领域。本文针对三维矩形腔体中的超临界氮氩混合流体的自然对流进行了数值模拟,研究了活塞效应、Soret效应和Dufour效应对底部加热、顶部定温条件下流体自然对流发生发展的影响。建立了能完整描述超临界混合流体流动与传热的控制方程组,在多重网格的基础上采用SIMPLE算法进行数值计算。结果显示上述三种效应作用下自然对流可划分为三种状态即稳定边界层、对流产生和发展及稳定对流阶段,且这三种作用在不同时间段上的作用效果具有较强的阶段性效果。加热初期底部形成稳定的热边界层,活塞效应以热声波动方式加速能量输运,在该时期起主导作用。热羽突破边界层后向上运动形成自然对流,在活塞效应作用下顶部出现热边界层,形成双热边界层结构,受温度梯度驱动Soret效应引起组分定向迁移,产生Dufour效应促进能量输运,与拟纯流体对照后发现自然对流发展阶段混合流体中特有的Soret效应和Dufour效应具有促进流动增强换热的效果。


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