（制冷及低温工程专业论文）液氮水相变传热传质特性分析与实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本课题研究低温液体与水直接接触所发生的流动与相际传热传质现象。低温液体 喷入水中为浮力射流，但由于这一过程中低温液体产生液气相交，浮升力的突变和气 相的可缩性大大增加此问题的难度。本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法，分 析影响此气一液一液相互混合大脉动紊流的传热及流动的关键因素，提出描述此时传 热和流动过程的基本概念和方法。 本文分析了常压和超l i 缶界压力下低温液体与水的传热传质过程特性，低温液体在 常压下气化时气泡的剧烈运动以及流体自身的流动引起周围环境水的较大扰动，强化 了传热并对液体流型以及生存距离产生影响。而在超临界水压下由于流体的一些物 性呈奇异性变化，影响了流体的传热、传质性能，并影响液体的生存距离。本文依据 传热学中的基本理论，建立了适合水压为常压和超临界压力下的低温液体水传热传质 数理模型，并首次采用f l u e n t 软件作了数值模拟，得出低温液体的生存距离和温度场 及浓度场，气液氮混和流的生存距离远大于常压下气液氮混和流的生存距离。此模型 可描述各种低温液体在不同的排放速度、管径、排放压力条件下的传熟传质特性。 本文进行液氮常压水下排放的实验研究，获取并分析排放过程中的影像信息和测 温数据，液氮液柱生存距离的估算值与实验观测值进行了比较，二者能较好地吻合 实验结果也说明低温液体水下直接释放是可行的。 文中建立的传热传质模型及传热传质过程特性分析，对各行业低温液体的紧急排 放、相变及传热传质工艺等具有一定的参考价值。 关键词；低温液体水下摊放传热传质超临界数值计算 华中科技大学硕士学位论文 t h er e s e a r c hp r o b l e mo f t h eh e a ta n dm a s sw a n s f e ro f t h ec r y o g e n i cl i q u i da n dw a t e r i sr a i s e di nt h i st h e s i s b u o y a n c yi n f l u e n c ea n dg a s e i t yc o n d e n s a b i l i t yr e s u l ti np r o b l e m b e i n g c o m p l e x , t h e j e to f 口y o 窜e n i cl i q u i d si n t ow a t e ri sab u o y a n c y j e t , b u tc r y o g 面c l i q u i d sc h a n g el i q u i d s t a t ei n t og a s e i t yd u r i n gt h ej e t t h e r e b ye x p e r i m e n t a t i o n 锄d n u m e r i c a l l ys i m u l a t e di sm o s t l yu s e dw h e nw es t u d y t h eh e a tt r a n s f e rp h e n o m e n o n t h e k e yf a c t o r st h a ta f f e c tf l o wa n dh e a tt r a n s f e ro ft h eg a s l i q u i d - l i q u i dt e m p e s t u o u s l y m i x e d j a i sa n a l y z e d , t h et h e s i sp r e s e n taw a ya n db i s i ci d e at od e s c r i b et h ef l o wa n dh e m t r a n s f e ro f t h e j e t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s sn n d c tn o r m a la n d s u p e r c r i t i c a lw a t e rp r e s s u r ew e r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s w h e nt h ec r y o g c i l i cl i q u i d e v a p o r a t eu n d e rn o r m a lw a t e rp r e s s u r e ，t h es e v e r em o t i o no f t h eb u b b l ea n dt h ef l o wo f t h a f l u i dw i l lm a k et h ew a t e rd i s t u r b e d , a n dn o to n l yi n t e n s i f yt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r , b u t a l s oi n f l u e n c et h ef l o wp a t t e r na n dd u r a t i o nd i s t a n c eo f t h ec r y o g e n i cl i q u i d u n d e rs u p e r 耐( i c a lw a t e r 芦韶s u ，t h ep h y s i c a la p p e a r a n c eo ft h ea ” g e i l i c l i q u i d c h a n g e , a n di m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh e a ta n dm a s s 缸衄曲a 以栅r ；d i n gt ob a s i ch e a t 血a n s f e rt b 巧，t h em 砒i l e m 撕ca n dp h y s i c sm o d e l so fh e a ta n dn l a 爱q t r a n s f e ru n d e r s u p e r c t i t i c a l a n d n o r m a l w a t e r p r e s s u r e 撇e s t a b l i s h e d a n d n u m e r i c a l l ys i m u l a t e d b y f l u e n t t h er e s u l t ss h o wn o to n l yt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dm 黜f i e l do f t h ee r y o g e i l i cl i q u i db u ta l s o t h ed u r a t i o nd i s t a n c eo ft h ec r y o g e n i cl i q u i d t h ed u r a t i o nd i s t a n c eo ft h el i q u i da n dg a s n i f f o g e n c o l t m m i s m u c h l o n g e r t h a n t h a t o f n e a r - a t m o s p h e r i c l i q l l i d i ，i n | ) 舭 t h ee x p e r i m e n to fd r a i n i n gt h el i q u i dn i t r o g e nd i r e c t l yi n t ow a t e rh a sb e e no p e r a t 默l n ”e x p e r i m e n t d a m st e s t i f yt h ev a l i d i t yo f t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o m m e n d a b l y t h e s u h i n d i c a t e st h ef e a s i b i l i t yo f d r a i n i n gt h ec r y o g c n i cl i q u i dd i r e c t l yi n t ow a t e r t h eh e a ta n dm a 鹪t r a n s f e rm o d e la n da n a l y s eo f t h ec h a m c t e f i s t i c si nt h i st h e s i sh a v e j 玎啦m 协破诗烧呦c ev s l u e t ot h ed r a i n i n gp r o m p t l yo f t h ec r y o g e n i cl i q u i d , p h a s et r a n s i t i o n a n dt h et e c h n i q u e so f h e a ta n dm a s st r a n s f e r k e y w o r d s ：c r y o g e n i cl i q u i d u n d e r w a t e rj e t h e a ta n dn l a s st r a n s f e rs u p e r e r i t i c a i n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 独创性声明 y1 0 1 7 4 6 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：茜小数 p 口6 年，月口3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：t 。j ，与疋指导教师签名：石莎 讨驯1 j 。 伊年f 月p 珀沙；年，月；日 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 低温液体水流动与相际传热问题的提出 随着科学技术的发展，特别是高新技术的发展，在科学研究、各行各业以及日常 生活中越来越广泛地使用1 2 0 k 以下的各种低温液体，例如在航天工业、冶金、石油、 化工、食品、生物、医疗卫生、国防、信息技术中用的液氧( l 0 2 ) 、液氮( l n 2 ) 、液 氢( l h 2 ) 、液氩( l a r ) 、液氮( l h e ) 、液氖( l n e ) 、液氪( l k r ) 、液化天然气( l n o ) 及其它低温液体。 低温液体向真空和气态环境释放技术在工程实际中已经得到广泛的研究，并在工 程实际中应用。液氧液氢是空间飞行领域使用最普遍、性能最好的火箭推进剂。完 成发射任务的火箭末级一般会留有多余的燃料，存在爆炸解体的可能性，这样即会产 生大量的空间碎片，其剩余原料的释放问题是空间技术领域的一个研究方向。 燃料电池技术的不断完善使其在如潜水艇、汽车等其它领域的动力系统中的广泛 使用逐步成为现实。由德国制造的世界上第一艘燃料屯池潜艇1 3 3 1 ”，于2 0 0 3 年4 月7 日在基尔港下水试航。它采用燃料电池动力系统和柴一电动力系统混合使用。 其燃料电池动力系统由9 组聚四氟乙烯燃料电池、1 4 吨液氧贮存柜和1 7 吨气态氢贮 存柜等3 部分组成。 目前，船舶对内河水域的污染已经相当严重，发展采用清洁能源的各种船舶刻不 容缓，利用氢能和燃料电池作为船舶的动力是我国发展船舶清洁能源技术的研究方向 之一。 超导电动机与传统的电动机相比，有着体积小，重量轻，可节约4 0 的制造成本 和减少电能损耗、节约运营成本的优点。作为船舶的推进技术极具发展前途。在十年 内，作为战魄电推进系统的电动机、发电机的全球市场增长率超过2 和。在目前的研 究状况下，超导温度还将继续不断提高，但在相当长一段时期内，超导技术的实际应用 都离不开低温液体。目前船舶用超导电动机主要以液氮和液氦作为超导低温冷却液。 华中科技大学硕士学位论文 低温物理所发现的成果在多方面已转为工程应用，如液氦的超流现象可应用于风 洞实验，以及空间站的喷泉泵制冷等。半导体以及氦膜上电子气的分数维霍尔效应的工 程应用也具有巨大潜力。玻色凝聚用于原子激光的获得可望有效地提高现有原子钟的 精确度等等1 3 j 。 低温化学技术作为低温技术与化学技术的结合，不但在医药、食品生物等领域有着 越来越广泛的应用，而且在工业纳米微粉材料( 尤其是现代功能陶瓷材料) 的制备方面 也有了突破性的进展1 4 1 。 当前，生物制品的生产和贮存在很大程度上依赖于低温科学。低温冷藏是储存生物 样品的主要方法，适当的低温可以长期、安全的保存生物制品。医用生物材料的冻存研 究。为临床移植提供了高质量的供体材料。在其他医用材料保存中，如垂体细胞、大脑 细胞、肾上腺、精子，角膜、脾淋巴细胞、活性瓣膜、血管、骨骼等的研究取得了很 大进展。大部分己用于临床。在细胞和分子水平研究了猪精子的冷冻效果，建立了昆明 小鼠卵及兔胚胎冻存技术和小鼠胚胎库。在种质资源低温保存方面，我国建立了两座现 代化的国家种质库，实行计算机管理系统，已贮存2 0 余万份种质资源，仅次于美国【”。 全球性石油资源的紧缺以及不断加剧的环境污染，使得污染小、燃烧性能好、储量 丰富的天然气的应用越来越广泛。为了便于天然气的储藏运输，通常在低温下( 1 1 0 k 以 下) 将天然气液化成液态( lng ) 。目前大型运输液化天然气的船舶可装运1 2 5 ，0 0 0 m 3 ( 5 万吨级) 嘲。 低温液体需要专门的绝热容器进行贮存，若贮存它们的容器绝热装置受到损坏， 或者遇到其它意外情况，将可能产生巨大的爆炸，造成人员伤亡和经济损失，此时必 须进行紧急排放。而在某些特定环境下，如水下作业( 前已述及) 、排放物有毒等， 这些低温液体是不能或者无法直接快速排入大气环境的，只能在水( 或其它溶剂) 中 排放。所以，从安全和环保角度出发，在紧急情况下，如何有效地将1 2 0 k 以下的各 种低温液体捧入水巾，是铡静谶得磷究的全新课题，亦悬一道难题。 低温液体的温度远远低于水的冰点。当低温液体与水直接接触时，极易使水冻结， 这正是实现低温液体水下直接排放的困难所在。总的看来，低温液体在水下的直接摊 放将受到排放物特性、环境条件、初始条件等的影响。排放物特性指低温液体自身的 2 华中科技大学硕士学位论文 各种物性；环境条件包括水温、水压、水流速度、水域大小等；初始条件包括低温液 体初始温度，初始压力、流量、流速、排放口材料、形状、尺寸等。在排放物及环境 条件一定的情况下，若能通过控制初始条件，使排放口处保持一段距离的低温液体一 水一气多相流，就可避免因水冻结而堵塞低温液体出口。对深水航行器的低温液体排 放情况，由于其压力达到或超过低温液体的临界压力，超临界压力下的特殊物性和气 液密度的变化对流动、传热传质的影响远远大于远离临界态时压力变化对流动、传热 造成的影响。对近临界态压力下的排放，须区别远离i 临界态压力状态，单独分析特殊 因素对流动传热造成的影响。 建立低温液体一水之间液一气一液多相流的生存距离及传热传质理论模型和实 验装置，探明初始条件及其它因素对多相流生存距离的影响，正是本课题将着重进行 的研究内容。 本课题的研究有着重要的理论意义和广泛的应用前景。预期的研究成果将揭示一 种融溶液热力学、传热学、传质学、流体力学等内容为一体的自然现象的内在规律， 具有特别重要的科学意义。从应用前景看，可以为各行业低温液体的水下紧急排放， 尤其是水下航行体携带的低温液体的紧急捧放，提供理论依据和方法。同时，大温差 液液两相流模型还可广泛应用于食品、化工、医药、环保等领域。 1 2 相关理论与进展 在对国内外相关文献检索中发现，目前尚无低温液体水下直接释放的研究报道， 也缺少大温差液液两相流流动及传热传质相关的文献资料。 低温液体水下的直接释放，属于大空间的浮力射流问题。但由于低温液体与水间 的大温差，与常规的浮力射流相比，有很大的不同之处。在低温液体与环境水的传热 过程中，还会发生低温液体的沸腾，使分析此传热过程变得异常困难。对于高压下的 捧放随露( 排放压力已达到低温液体的辐界压力) 。由于在幅界点附近，低温液体的 导热系数，定压比热容和密度的激烈变化自然会影响流体的流动和能量传输。在近临 界区发生的一系列不平衡现象会使分析此传热过程的困难度加大。对大多数的低温流 体在超临界环境中流动与传热研究，更是一片空白，缺少相关的资料。 华中科技大学硕士学位论文 本章讨论与本研究课题相关研究方向的理论基础和前沿的研究方法及进展。为下 一章传热传质分析和提出理论模型奠定基础。 本章从低温液体捧放、射流、超临界、两相流和低温液体沸腾传热以及c f d 技 术应用等六个相关的方面展开叙述。 1 2 1 低温液体排放技术 沈漪刀等人针对火箭推进剂的加注和释放，研究了超临界氦的贮存及释放。描述 了超l i 每界氦贮存过程中贮存罐内存在的热分层现象，分析了超临界氦贮存罐的有效容 积、日蒸发率、填充率对贮存罐气枕空间内压力和温度变化的影响，并给出了估算增 压释放液氦所需氮气量的方法和实例。 c h e g i i l i 嘲等人研究了液氧在混合槽内高压空气流中的喷射、蒸发及扩散。对于液 氧液滴在超临界环境中的蒸发，讨论了等温和非等温两种液滴传热模型。 d o n a l dg r r t g l 建立了用于分析低温液体燃料贮存罐内流动的c f d 模型，并采用 该模型模拟了水平圆柱贮存罐横截面的二维释放过程。 m i k a t a r i a a t l 川等人对液体排放至真空环境进行了定性的实验研究。实验研究了流 体初始压力与初始温度对捧放管出口压力与流量的影响，流体遇到平板蒸发对平板的l 冲击，以及平板压力与平板初始温度的关系。 1 2 2 射流 低温液体的水下摔放属于射流问题的一种。射流l n l 是指从各种排泄口射出或靠机 械推动流入周围另一流体域内的一股运动流体。 从不同角度考虑可以将射流分为各种类型。按流动型态可分为层流射流和紊流射 流( 湍射流) 。从环境的性质来划分：射入同种性质流体内的称为淹没射流，射入不 同性质流体内的则为非淹没射流。按射流的原动力可分为动量射流，浮力羽流和浮射 流三类动量射漉以出流的动量为原动力，对以后的运动这个动量的作用仍是重要的。 一般等密度的射流属于这种类型，也称为纯射流。浮力羽流则是以浮力为原动力，如 热源上产生的烟气，因这种流动的形状和羽毛相似而得此名称。浮射流的原动力包括 出流动量和浮力两方面，如火电站或核电站的冷却水排入河流或湖池中的热水射流， 4 华中科技大学硕士学位论文 污水排入密度较大的河口、港湾等水域中的污水射流等都是浮射流的例子。 对低温液体排入水中形成的射流，我们主要研究排入无限空间的情况。在捧放过 程中，只存在低温液体的相变，是紊动浮自由射流。紊流射流问题的研究，其目的主 要在于确定射流轴线的轨迹、射流扩展的范围和射流中流速的分布，对于变密度、非 等温和挟带有污染物质的射流则还有密度分布、温度分布和挟带物质的浓度分布流 速分布是个矢量场的确定问题，密度分布、温度分布和浓度分布则属于标量场的确定 问题。这类问题的分析目前有三种途径：一个是以实验为主，采用量纲分析整理实验 资料求得实用的经验关系式的方法。这个方法虽然经验性较大，但对于复杂的射流问 题，目前难以用理论计算解决时，它还是一个重要的途径。在理论分析方面则有两个 途径，一个是求解射流边界层偏微分方程；另一个是在给出射流断面上流速分布的基 础上，采用积分方法将偏微分方程变为常微分方程来求解。 在理论模型研究方面：徐高田【1 2 】等人结合上海市污水治理二期工程稀释扩散规律 物理模型试验，通过建立并求解积分控制方程的方法，对动水环境下单喷口浮射流的 近区稀释扩散特性进行了研究，拟合出长江口白龙港水域的掺混系数、绕流阻力系数 以及施密特数，并建立7 计算污水单喷日出流近区稀释扩敖特性的数学模型。 吴海玲【1 3 j 等人基于控制容积法和协调一致的求解压力耦合方程的半隐方法一 ( s m 仍u c ) ，应用标准k 一模型、重整化群( r n g ) k - - z 模型和易实现的( r e a l i z a b l e ) k 一模型，对射流与主流动量通量比为0 5 - - 1 0 0 的二维横向射流传热进行了数值模 拟，讨论了三种紊流模型的优劣。 1 2 3 超临界 由于水温远高于低温液体的临界温度，深水下的水压亦可能达到并超过低温液体 的临界压力，所以低温液体水下直接排放很可能涉及到超临界环境传热。 任何一种纯净物质的液相和气相可以在恒定的温度和压力下以不同的比例平衡 ? 、共存，提高温度和压力，饱和液相的比体积增大，饱和气相的比体积减小，到临界温 度和压力时，这两种比体积( 或密度) 的差别将消失，即处于临界点状态下的饱和液 体与饱和气体是没有区别的。如表2 1 示出几种常见气体的临界参量。 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 几种气体的临界恒量 状态参数气 体 名称单位 0 2n 2 a r n e h 2 h e 4 e 3 温度k k1 5 4 7 71 2 6 2 51 5 0 8 64 4 4 3 3 2 35 23 3 2 压力k胁 5 0 93 3 9 65 o o2 6 5 41 3 1 6 o 2 2 90 1 1 6 密度p 。k 斯n 3 4 0 63 0 45 3 54 8 33 1 66 9 3 4 1 8 在近临界区的流体物性中，比热容的的畸变最为突出，对传热的影响也最显著。 实验证实，在临界点上，定压比热趋于无限大。临界点是液体密度和气体密度变化轨 迹相重合的一点。在临界点附近，导热系数、定压比热、和密度的激烈变化自然会影 响到流体的流动和能量传输在近临界区发生的是一系列不平衡现象。在加热时，密 度的变化可以用一条等压线描述，而在冷却时，密度的变化是迟滞的。构成迟滞回归 线。许多实验表明，在临界点附近，系统由不平衡态恢复 到平衡态需要相当长的弛豫时问。所以在临界点附近进行换热时，流体总是具有一定 程度的不平衡性。这种情况导致近临界区中传热恶化。 当压力高于犒界压力即处于超临界压力下时，气液两相之间没有明显的分界，可 将流体视为单相流体。在超临界压力下，流体的密度随着温度的升高连续地降低，但 在临界温度附近降幅较大，而流体的定压比热容及导热系数在临界温度附近均出现突 变。由于这些异常物性的影响。超临界流体在临界温度附近表现出不平常的传热特性。 这种影响表现在两方面，一是热传输性质本身的变化，二是由于这些变化引起流动结 构的改变。 以下是研究者们在超临界环境传热与流动方面进行的一些研究。 k o s h i z u k a p 4 等人对垂直管内超临界水传热恶化现象进行了数值分析。计算结果 与y a m a g a t a 等人的实验数据符合较好。 酬 t s l 等人研究了孤立液氧滴在火箭发动机燃烧室压力下静止流体氢中的超 临界传热传质特性。建立了基于波动理论的模型。 n i e n c h u a n n o r m a n l i f t 1 6 在一个大的压力范围( 5 - - 2 5 0 a t m ) 内对液氧滴在氢中的 气化进行了全面的理论分析。深入研究了高压对液滴行为的影响。对液氧滴生存时间 6 彳 华中科技大学硕士学位论文 作为环境压力、温度、液滴初始直径的函数进行了参数分析。 b d l a n 1 刀对超临界( 及近临界) 流体行为领域的研究进行了评论性综述。 c h e h r o u d i 1 羽等人对近临界及超临界压力下室温气氮中的液氮射流进行了实 验研究。 1 2 4 两相流 两相流是指流体系统中存在两相或两组分，如气体一液体、气体一固体颗粒、液 体一固体颗粒、液体一液体等，在各行业均有广泛应用。目前关于气液、气固、固液 两相流的研究较多，理论模型、数值模拟以及实验研究都较为深入，而关于液液两相 流的研究则较少。 两相流动r 1 卿与单相流动样服从流体力学的所有基本定律不过，其控制方程比单 相流动更复杂一些和更多一些。 p o r t 0 2 0 1 等人对非沸腾工况下紊流管内油水直接接触传热进行了实验研究。实验 研究了流体速度、管径、水的体积分量以及界面张力和油的粘性对传热的影响，给出 了一个成功的半经验关联式。另外，还进行了一些沸腾工况下的测量，但只是简单涉 及。 s h a h i d i t 2 1 1 等人研究了非沸腾工况下水平同心圆环通道内油水直接接触传热，得到 了体积传热系数的实验表达式。 吴铁军阎等人对水平放置圆管内的油水液液两相流的流型及其转变特性进行了 实验研究。定义了不同流动条件下油水两相流的流型，并由实验所得数据给出了水平 圆管内油水渡液两相流的流型图。进而讨论了各流型之间的转变机理，并考察了影响 流型的因素。采用无量纲准则数以及半理论公式对流型转变进行了预测，结果与实验 数据基本吻合。 率测量问题。通常利用油水两者的密度差、电阻率差、介电常数差、声速差、对光的 折射率差等来测取截面相分率，如y 射线密度计、电导探针、电容探针、微波法、光 纤探针以及基于上述各种原理的各种层析成像技术。探针法适用于测量局部的相分率 华中科技大学硕士学位论文 和液滴的移动速度，虽然它会于扰流型，但由于其简单易用，目前还是被国内外研究者 用来检测油水两相流型。层析成像技术一直是作为一门独立的学科来研究的，近年来 它开始被用来检测多相流的流型。英国的u m i s t 小组开发的电容式流动成像系统， 可用于介电常数存在明显差异的油水两相流型，该系统基本能满足实时性要求。它能 够测量分散相在管截面上的浓度分布规律，在计算机屏幕上直接显示管截面上油水分 布图。 1 2 5 低温液体沸腾换热 由于低温液体与水之间的温差，在直接传热过程中，低温液体会迅速气化达到沸 腾状态。在考虑此物理模型时，不可避免的要涉及到低温液体沸腾传热的理论。 沸腾传热现象广泛存在动力、航天、制冷、电子冷却等工业领域，但目前对沸腾 换热的基本机理研究还不够完善，现有的预测沸腾换热的各种物理模型都是基于对成 核理论及气泡动力学的某中理解而建立起来的，与预测实际的物理现象有一定的差 距。低温流体的沸腾虽然大体上和一般流体的沸腾规律一致，但有一些特殊性。表现 在以下几方面l ： a 低温液体的沸腾总是出现在低温液体作用对象的降温过程中，具有强烈的非 定常性。 b 多数低温流体与固体壁面间的润湿的角接近于零，使气泡的生成条件与一般 流体不同。多数低温流体的气化潜热很小，很容易达到沸腾危机。 由于沸腾流动具有两相速度不同，两相之间有动量、质量和能量的交换，两相之 间的交接面是运动的、和流动的非定常性和不平衡性等特点，使得准确的描述沸腾流 动比较困难。但为了满足工程设计的需要，人们取两相流动的两个极端情况提出均匀 模型和分离模型来分析和计算两相流动。均匀模型将两相流体假想成为单一的具有平 均参数的流体。较为简便，但在相当多的场合下会带来比较大的误差。分离模型则是 分别考虑每一相 低温液体的沸腾流动几乎总是非定常的、高热流量、非平衡的、上述两种模型不 能满足要求。 低温液体沸腾流动时的换热系数还没有经过验证的计算方法，综合沸腾流动的换 8 华中科技大学硕士学位论文 热系数实验数据很难综合，许多研究工作者虽然做了许多贡献，但通用的式子却建立 不起来。尤其是低温流体的沸腾流动，只能借助于比较粗糙的方法。 文献嘲中列举了一些低温液体池内泡核沸腾放热系数的计算公式。1 9 8 2 年， k l i m e n k 0 1 2 6 1 提出了低温液体管内强迫对流沸腾换热的通用换热关联式。1 9 8 8 年， i m e n k o f 2 刀又提出了适用于垂直和不分层的水平管道内各种工质( 水、氟利昂、低温 液体) 强迫对流沸腾的关联式。 对于低温液体而言，膜态沸腾是很重要、很常 见的沸腾类型，它在自然对流系统和强迫对流系统 内都可能发生。其特征是：一层气膜把液体同加热 表面隔开，热能通过高热阻的气膜传给液体。大量 的蒸气跃离气液界面，或者在饱和液池内上升，或 者在欠热液池内破灭在管内强迫对流膜态沸腾情 况下，液体在管子中央的核心内流动，环状气膜把 图1 - - 1 孙淑风实验系统图例 这核心与管壁隔开。液体与加热表面之间存在气体微机5 ) 数码摄像机6 ) 高速摄影仪 这种状态本来是不稳定的，但低温液体与加热表面 芸斧璃杜瓦d 液氮”光源1 0 之间的温差是如此之大，以致没有液体能与加热表 面保持接触，于是维持了气膜的稳定。文献圆中总结了静止液池内氢、氦i 、氮、氧、 氖、氩、液化天然气等一些低温液体膜态沸腾的实验数据，列举了一些膜态沸腾传热 的设计计算公式。 孙淑风刚等人对液氮在弦月形狭缝通道内的沸腾换热进行了可视化实验研究。利 用高速摄影仪和数码摄像机，对狭缝内的流动进行拍摄，获得了液氮在弦月形狭缝通 道内热虹吸沸腾时的气泡行为及两相流动的真实信息。实验系统如图l 一1 所示。 1 2 6c f d 技术 1 2 6 1c f d 技术简介 c f d ( c o r a p u t a t i o n a lf l u i dd ) 咙m 五c s ，简称c f d ) 软件1 3 0 ，它基于有限体积法，通 过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和熟传导等相关物理现象的系统作 9 华中科技大学硕士学位论文 出分析。它可以看做是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方 程) 的控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的 流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些 物理量随时间的变化情况。 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整 体系，图l 一2 给出了表征三者之间关系的“三维”流体力学示意图。 图l 一2“三维”流体力学示意图 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是知道 实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽 象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果 实验测量方法所得到的实验结果真是可信它是理论分析和数值方法的基础，其重 要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限 制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物 力的巨大耗费及周期长等许多困难。 而c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算， 就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算并将其结果在屏幕 上显示，就可以看到流场的各种细节，数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验 没有什么区剐。 从公开发表的文献可以看出，c f d 通用软件已在气液两相流及相关设备的优化分 析中得以大量采用，并取得了很多成功应用的实例，已能准确地预测化工反应器、电力 锅炉、核反应堆以及各种换热器等设备内的气液两相流场及换热情况，为工程开发和设 l o 华中科技大学硕士学位论文 计提供了一种行之有效的辅助研究方法。近年来，c f d 技术正被逐渐引入到低温领域 中。i s h i m o t o 3 1 】对c f d 通用软件中的相关模型进行了修正和补充，预测了文丘里管内 液氦部分气化及部分转化为超流氦的过程；b 加k e 舷【3 2 l 等采用c f d 通用软件f l u e n t 预测了液氮容器的漏热，预测结果与试验结果吻合良好涠埘对3 3 】等采用f l u e n t 预测 了板翅式换热器入口结构对流场分布的影响，并采用试验对数值预测进行了验证，结果 吻合良好。t u j y , y e o h g i - i 【3 4 1 利用c f d 技术模拟出低压环境下的欠热沸腾模型。 1 2 6 2c f d 技术在低温气液两相流研究中应用的可行性分析瞰】 首先，c f d 通用软件中的理论框架大多是流体力学、传热学以及热力学等学科中 已得到公认并具有广泛适用性的基本定律遣用于包括低温液体在内的任何流体。从这 一点来看。将c f d 通用软件引入到低温气液两相流及相关设备的分析中是完全可能 的。 其次, c f d 通用软件为用户提供了先进的数值处理方法，从而降低了研究的难度，并 减少了研究的工作量。大多数工程问题十分复杂，即使对某一过程建立了完整的理论模 型。其控制方程也不可能采用经典的数学方法求解，而必须借助计算机采用离散的方法 求解。湍流及瞬态问题的数值求解方法一直是计算方法及计算流体力学研究的难点问 题。若缺乏专门的知识，这一问题是难以解决的。相反，从c f d 技术的产生、发展的历程 来看，c f d 通用软件已经解决了如数值方法、网格划分、程序编写与实现等问题；其解 决工程实际问题的可行性和可靠性已得到验证，并实现了工业化推广应用。目前的c f d 通用软件无论在理论模型还是在数值处理方法上都比较严密，部分地具备了面向工程 实际应用的能力。借助c f d 通用软件，利用软件处理数值问题的能力与经验，工程技术 人员仅需将注意力集中在需要解决的具体问题上，从而避免了很多繁琐的工作，达到事 半功倍的效果。 最后，针对低温下气液两相瀛酶试验研究已进行了很多，已积累了一个庞大的试验 数据库j 如将乏系统地整理翱翔鲢并獭! 终提升为胃应甩予c f d 计算的理论模型 以上条件为采用c f d 技术分析低温液体气液两相流过程及设备提供了一个较高 的平台。这样的一个平台实质上是前人工作的积累，借鉴这些宝贵的知识和经验并结合 具体的问题展开工作，才能使研究更具有针对性，从而离工程实际应用更近一步。 华中科技大学硕士学位论文 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 推出的c f d 软件，是目前功能最全面， 适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 1 2 7 小结 本章叙述了有关两相流、射流及超临界的基本理论和概念，总结了一些理论研究 方法，综述了他人在低温液体排放、射流、超临界、两相流和低温液体沸腾传热以及 c f d 技术应用等六个与本课题相关的方面所进行的研究工作，尤其注重他人的实验方 法和实验装置。这些内容对整个课题的研究工作具有指导性意义。 1 3 主要研究内容与进度安排 本文是对国家自然科学基金资助项目“低温液体一水相界面的生存期及超i 临界环 境传热传质”后期研究工作及研究成果的总结。具体内容如下： 第1 章绪论介绍了课题背景与研究意义。并对现有的相关资料进行了整理与总结， 介绍与本课题相关研究方向的研究现状和方法，主要包括低温液体释放、射流、超i 临 界和两相流及低温液体沸腾传热，以及对f l u e n t 软件的介绍，作为本文研究的参考。 第2 章；建立低温液体一水传热模型；并针对常压、临界压力和超临界压力环境 进行了具体的计算，对计算结果进行了分析。 第3 章描述了液氮常压、临界压力和超临界压力下的水下排放实验的实验装置、 实验内容；对实验现象、实验结果进行了分析；比较了低温液柱生存距离的估算值与 实验观测值。 第4 章对全文进行了总结，归纳出主要成果和重要结论。 华中科技大学硕士学位论文 2 液氮一水相变传热传质模型 2 1 液氮一水常压下相变传热传质模型 2 1 1 实验现象 低温液体自由射流喷射到充满水的无限空间，与周围介质水换热。由于低温液体 的温度一般在1 2 0 r 以下，而常压下液体水温度在2 7 3 k 以上，二者间的温差极大。多 数低温液体的相变潜热很小，且相变温度很低，如液氮常压下的相变温度为7 7 3 5 k 【婀 低温液体经过短距离的换热后，便可达到环境压力下的饱和温度而成为气相。 图2 一i 和图2 2 为使用不同的喷嘴，出口水平放置的常压下捧放的实际流型图 片。 图2 - i 捧放管为跏m 口径的铜管的流型 图2 - 2 排放管为5 m m 口径的双层真空管的流型 从实验过程中观测到，低温液体进入水中时呈柱状，经过很短的时间即发生气化， 华中科技大学硕士学位论文 流型呈现出“上漂”的趋势。大块的气团不断在液柱的上方产生、上升、翻滚、破裂， 中问夹杂有细小的气泡，气泡向上运动并汇集成为气流，随着气流速度增加而形成扰 动的波浪，同时，低温液体的气化膨胀对水体产生剧烈扰动，从图2 - 1 和2 - 2 可看出， 在射流主流的上方，向上运动气流是非常明显而剧烈的。此实验中水面距排放口的垂 直距离约2 0 e r a ，水面离水槽口高度约1 0 c m 。水面的波动非常剧烈以致水不断的从槽 中溅出。 2 1 2 机理分析 低温液体在水下直接捧放时，由于它与常温水之间存在较大温差，沿程将与水发 生剧烈的换热过程，物理状态也将发生一系列的变化，直至完全气化。由于密度差别， 液体气化时产生的气泡会上升，并在上升的过程中破裂或聚合，又由于排放口水平安 置，所以整个流型呈“上漂”的趋势。在捧放过程中，低温液体与水的粘滞阻力作用 以及液体气化时气泡的产生、跃离、上升和破裂都会对水产生较大的扰动，同时，低温 液体的气化膨胀对水体也产生剧烈扰动，强化液体与水之间的传熟传质。根据排入水 中的低温液体与环境水的换热特征，可以把传热传质过程分为三个阶段：第一阶段不 发生气化，第二第三阶段分别发生泡态沸腾和膜态沸腾。 2 1 2 1 液氮排出至其表面达到饱和状态 过冷的低温液体进入水中后立即与水进行熟交换，表面温度很快升高，但在没有 达到环境压力对应的饱和温度前，低温液体不发生气化，液柱半径也无变化，液体与周 围水的换热满足下列能量方程式： 一0 t ：上三旦f 一t r 塑1 ( 2 1 ) 十一一l l l z l ， 岔p c u ，丹l务j 式中z - _ 温度，k ； p 嘞向露离，m ； ，- 半径，m ； a 低温流体导热系数，w ，( i n k ) ； 棚温流体密度，k g m 3 ； 1 4 华中科技大学硕士学位论文 p 低温流体比热容，j 似昏k ) ； t 广- 流体轴向流速，m s 。 2 1 2 2 泡态沸腾 表面达到饱和状态的低温液柱在向前推进的过程中不断吸热，表面转为过热状态， 达到一定过热度后，开始气化并产生大量气泡，进入沸腾阶段。沸腾主要包括气泡核 的形成、长大、脱离和上升等历程。环境水为这一系列历程提供所需的热量。 液体沸腾的第一阶段是气泡核的形成，动力学理论指出d 7 l ，在纯液体的大量分子 团中，能量的分布是不均匀的，这种不均匀分布造成了液体密度的波动，在波动中， 部分分子团占据了较多的能量，这些高于平均值的能量称为活化能，随着分子团的相互 碰撞，能量不断地积累，液体如有足够高的过热度，在那些占据活化能的地区活 化点( 穴) 将获得足够的活化能，气泡会自发形成。在实际中，沸腾液体并不十分纯净， 常常含有各种杂质或溶有气体，当液体压力瞬间降低时，还会有部分气体气化，这些 杂质及气体对核化起泡都起促进作用，故实际液体中的沸腾过热度比理想的纯净均质 液体的沸腾过热度要低 在低温液体与水的界面上，俘获的少量气体，杂质，以及低温液体内部聚合的高 能量分子团将成为气化核心。由于环境水与低温液体问有较大的温差，当液面达到足 够过热度、气核获得的能量超过气泡生成能a g 时。水一液界面上有微小气泡生成。 ag：兰石尼、2盯(2-2) 3 。 凡：丝 。风z v ， 式中：气泡临界半径，m ； 仃气泡表面张力，n m ； 氏液体密度，k g 缈# ，。 z v 液体气化潜热，。l n 喀； 瓦一液体饱和温度，k ； r 一液体过热度，k ； 华中科技大学硕士学位论文 一 一 a z 鞭桩 图2 - 3 气泡的形成 气泡形成时，由于液体自身的粘性作用，在气泡的周围会有一层液膜( 如图2 3 ) ， 周围环境水在加热液膜的同时也通过未形成气泡的液柱表面直接加热液柱，传入的热 量一部分传递到液柱径向深度，一部分则提供液体气化所需的能量，液膜和液柱表面 的蒸发，为气泡提供蒸气，以支持气泡不断长大，同时向气泡输送的热量，为泡内蒸 气向周围液体方向膨胀提供了能量，因而气泡在其形成处继续长大。 随着气泡的长大，气泡周围附着的液膜逐渐变薄。气泡成长所需的热量和蒸气， 由环境水通过液膜a l 和液柱表面过热液层a 2 输入，能量平衡式【3 7 l 为； 4 芸= q , 4 + 吼4 ( 2 吲 式中q l ，啦分别为通过a l ，a 2 接触面向气泡传递的热流密度，w m 2 ： _ 液体气化潜热，j k g ； 尼气体密度，k g m 3 ； f 一时间，s ； 4 ，4 4 和4 的接触面积，m 2 在气泡生长的最初阶段，它的成长速度主要由液体惯性力和气泡的表面张力决 定，这个阶段历时很短。随着惯性力和表面张力的影响逐渐减弱，气泡的成长速度主 要取决于环境水f 句气泡的传热速率。假设环境水温度保持不变，气泡成长速率：方程t 3 n 如下： 姚= # l 4 , x r 2 h , , a t w 堋蛾警l 脚( 2 - - 4 ) 。 df 1 6 华中科技大学硕士学位论文 a t = 丁一王，a 岛= 强一正 式中： 丸气泡容积修正系数； 吮掖体边界层曲率修正系数； 杰一水一液界面修正系数； 九气泡底部修正系数； 瓦掖膜向泡内蒸气的平均对流换热系数， 风液体密度，】【g ，m 3 ； 液体气化潜热，j k g ；