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流型是直接接触凝结过程的宏观体现,受入口汽水参数、不凝结气体含量等因素的影响。现有研究主要集中在稳态时的可视化观察流型,对流型动态特性的研究较少。但在实际应用中,管道和腔体一般为非透明金属,肉眼无法直接观察到流型。由此,本文搭建了含脱气系统的汽液直接接触凝结实验台,结合直接观察流型和间接分析流场参数两种手段,在蒸汽质量流率200~600 kg·m-2·s-1,过冷水雷诺数78,000~172,000,入口过冷水温度20~60 ℃工况范围内对流型动态特性进行了分析。
通过可视化研究,发现随着汽水参数的变化,根据流场特征可以将有限通道内汽液直接接触凝结流型划分为四种:泡状流、振荡射流、锥形稳定射流和椭圆形稳定射流。进一步采用脱气膜装置脱除过冷水和锅炉用水中的不凝结气体,研究了脱气对流型和流场参数的影响,发现脱气对四种流型均无明显影响,但在同一汽水参数下,脱气后尾部回流区运动减弱,流场中小汽泡团明显减少。此外,通道壁面温度分布及压力的整体分布规律受脱气影响不明显,但对应位置的温度压力在脱气后略微增大。
针对汽液直接接触凝结过程的压力振荡特性进行了分析,发现不同流型所对应的压力振荡形式有所区别。随着蒸汽质量流率及入口过冷水温度的增加,或者过冷水雷诺数的减小,流型由不稳定状态逐渐转变为稳定状态,汽液相界面的稳定性增强,压力振荡均方根先迅速降低然后又开始升高。压力振荡均方根的最小值出现在不稳定流型区和稳定流型区之间的过渡区域。
采用混沌特性分析方法,对动态压力信号做深入分析,研究了汽水参数对不同流型的关联维数和Hurst指数的影响。结果表明,关联维数与Hurst指数均受蒸汽质量流率、过冷水雷诺数及入口过冷水温度的影响。稳定射流的关联维数最大,振荡射流次之,泡状流最小;稳定射流的Hurst指数最大,振荡射流次之,泡状流最小。所有的Hurst指数均位于0~0.5的范围内,说明有限通道内的汽液直接接触凝结过程具有反持续性。利用关联维数和Hurst指数可对流型进行识别,对泡状流、振荡射流和稳定射流的识别率分别为95.74%、91.30%和92.77%,而整体识别率为93.31%。因此,混沌特性分析能够较好地识别汽液直接接触凝结的流型。
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Degree: 硕士
Mentor: 刘继平
Student No.:
Year: 2018
Language: Other
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