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高温高压下二元气体扩散系数的激光测试系统与仿真

王操  
【摘要】:目前,随着环境保护的严格立法和日益激烈的市场竞争,电力生产总是寻求廉价高效低污染利用燃料的方式。为了达到这个目的,我们一方面可以建立精确的数学模型进行数值模拟,另一方面,我们可以研究采用更先进的燃煤技术如采用加压燃烧(PFBB)、整体煤气化联合循环(IGCC)等。而这两者都需要用到扩散系数这个基础物理量。遗憾的是,现有文献中的气相扩散系数值绝大部分是在常温常压条件下测得的,无法用于建立1MPa以上的煤燃烧气化反应动力学模型。测量高温高压条件下气体扩散系数对于建立精确的煤粉燃烧气化模型从而指导煤粉的高效低污染利用具有重要意义。 本文在总结分析了隔膜池法、泰勒分散、干涉法、NMR等各种气相扩散系数测量方法和毛细管Stefan流、Loschmidt滑块式、拉板式、球体阀式、剪切式等具体测量装置的优缺点的基础上,选择采用激光横向大剪切新型干涉技术与外包压力罐的改进型Loschmidt球形阀式扩散槽相结合的的方法,设计了适用于高温高压条件下的二元气体扩散实验系统;分析了国内外主要的八种二元气体扩散系数计算模型,用FSG模型结合RSP压力修正关系式计算了二元系O2-CO2、O2-CO、CO2-CO、O2-CH4、CO-H2在高压(0.1-5MPa)、温度小于1273K条件下的扩散系数值;建立了双容积法激光剪切干涉气相扩散模型,在Matlab中编制程序,模拟了不同气体在不同工况下的干涉条纹,并用中心线法结合最小均方差优化原则对条纹图像进行逆处理得到了扩散过程中关于时间、位置的浓度场分布。 研究结果表明,所搭建的新型扩散实验测量系统密封性能优异,能实时测量,能很好地用于高温高压的情况,其浓度是识别误差在1.07%以下;不同工况在扩散的不同时刻,CCD上所得的干涉条纹都非常清晰;各二元气体的干涉条纹密度随着压力的升高而变密;随着扩散的进行,条纹先变密再变稀疏,不同工况有不同的最佳测量时刻;图像逆处理得到的浓度场分布与理论值符合良好,最大误差为1.9%。


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