直接接触式沸腾换热过程气泡混合均匀度评价

针对直接接触式沸腾换热过程中气泡群扰动的多相流体混合性能评价问题,提出一种基于图像处理技术与像素偏差理论量化混合复杂流体流型均匀性的精确检测与度量新方法。通过气泡群RGB图像的灰度矩阵进行偏差计算,精确地定量描绘了直接接触式换热过程中的气-液混合状态,其值大小反映了气泡群的分布状况,而不同工况下混合均匀时间的差异反映了不同多相体系的均匀性差异;对偏差序列进行正态性检验,发现其近似符合正态分布;运用混沌检测方法对序列进行混沌特征分析,发现整个混合过程是混沌的。通过一个简单的指标实现了复杂条件下气泡群的量化和表征,为多相流流型识别提供了新的分析思路并指导换热过程的混沌强化。     

基于改进0-1测试的多相宏观混合效果混沌表征

针对多相搅拌混合效果的量化特征提取提出一种新思路:利用改进型0-1混沌测试方法表征多相混合过程贝蒂数时间序列的混沌特性,并优化混合效果与评价特征值之间定量协调关系。研究发现,将贝蒂数时间序列的渐进增长率Kc的中值作为混沌检测依据,可更加精确地表征不同混合过程中混沌度的差异性变化。贝蒂数混合效果评价方法表明,零维贝蒂数β0与一维贝蒂数β1之间存在相关性,经验证β0时序的Kc中值和β1时序的Kc中值之间也存在较强的正相关性,理论上更加符合β0和β1的代数拓扑学意义。在此基础上进一步发现基于混沌检测的渐进增长率Kc中值与表征混合效果的贝蒂数指标之间具有相关关系,相关系数为0.645,并且Kc中值表征混合效果的有效性由水动力学实验得到了验证。本研究对于拓展和丰富贝蒂数混合效果评价方法具有重要意义。     

机械搅拌驱动下三维空间混合效果实时测量及表征

为精确实时测量机械搅拌驱动下三维空间多相混合效果，提出了一种三维空间的混合效果精确测量方法，通过类比势能的概念，计算总体平均质量度量Q来表征混合效果，以克服颗粒重叠二维点集伪均匀性度量的片面性。对三维空间混合效果精确测量方法进行了实验验证，计算了总体平均质量度量Q，用以表征颗粒分布的均匀性；分析了电机转速与红色小球相对运动速度均值关系。结果表明，不同转速和变频对示踪颗粒相对运动速度变化有明显的影响；特别是对二维与三维混合均匀性进行了比较，二维的混合均匀度测量方法计算结果明显不够精准，存在较大偏差，比三维的平均偏差高75%，三维空间混合均匀度测量方法计算结果更能反映出真实的混合效果；比较了中心化偏差(CD)和可卷偏差(WD)两种常用的混合均匀性测量方法，CD和WD方法对混合均匀性的表征均存在失效的情况，进一步验证了本方法的可行性以及准确性。     

声场驱动气泡增强微流体混合的数值模拟

微流体研究中，由于雷诺数较低，流体呈层流流动，流体混合主要依靠分子扩散，混合时间长，效率低，故流体混合成为亟待解决的问题。声场激振气泡可以有效促进流体混合，已经引起了广泛关注。本文模拟研究了声场作用下气泡振动对流体混合的影响，探索了微尺度流体在声场激振下的流动特性，分析了微通道高度、入口速度、气泡间距及布置方式对流体混合的影响。结果发现，微通道高度较低时，气泡振动可以更好地促进流体混合；入口速度较小时，流体在气泡附近滞留时间较长，混合较为均匀；气泡半径较大时，旋涡扰动增强，混合效率提高；两个气泡的混合效果优于单个气泡，而气泡间距对混合效率基本无影响；微通道高度较低时，气泡同侧布置和异侧布置对流体的混合效果相接近，随着微通道高度的升高，两种布置方式对混合效果的差异逐渐显现，异侧布置具有更好的混合效果。     

微通道限域空间内的气泡破裂研究进展与展望

多相微反应器等微通道设备具有高效、安全等优势与广阔的应用前景,其中气泡分散相的形变、聚并、破裂等诸多流体力学行为对反应体系具有非常重要的影响,然而由于微通道的尺度特征以及多相流动非均匀性、复杂性等特点,复杂限域结构内的气泡形变与破裂机理认识仍不够充分。本文针对近年来在微尺度限域结构中的气泡形变与破裂等研究进展进行综述,首先概述了微通道多相流主要研究对象及研究方法,探讨了含有颗粒等受限狭窄空间及复杂多相条件下的传递机理研究进展,总结了气泡界面演变及不稳定破裂过程的多相相间作用机制。最后,提出研究体系构建、研究方法改进、相间作用解析以及工程化需求匹配是微尺度复杂限域空间内的气泡行为研究关键,并对下一步研究方向进行了分析与展望。     

喷吹搅拌系统中气液动力学行为的混沌识别

以底吹熔池熔炼过程为研究对象搭建水模型实验平台,捕获气体喷吹系统内气泡流型的彩色图像,对彩色图像进行灰度化,去噪及二值化操作后得到贝蒂数,以贝蒂数来表征气液二相混沌效果,引入0-1测试法并通过数值模拟验证该方法的有效性。运用回归方法和关联方法的0-1测试法检测贝蒂数时间序列的混沌特性,考察了喷枪倾角及数目对本系统混沌特性的影响。研究结果表明:模拟数据验证了0-1测试法在区分系统混沌特性方面的有效性;6组工况均表现出混沌特性;对每组工况的贝蒂数时间序列分别基于回归方法和关联方法进行了0-1测试,显示关联方法较回归方法更为显著,且渐近增长率Kc中值在一定程度上反应了各工况的混沌强弱程度。此研究为强化流体混沌混合提供了直观简便的测试方法。     

直接接触沸腾换热过程连续相特征提取及分布规律

利用支持向量机(SVM)理论构建了有机工质?导热油直接接触沸腾换热过程连续相特征提取方法,获得了导热油和气泡群两相流流型的拓扑结构。对9组正交实验工况获得的两相流图像分别进行连续相特征提取和同调群计算,得到量化连续相数量的1维和0维贝蒂数?1和?0用于粗略估计气泡群数量,并与传统数字图像处理方法的结果比较,对比了换热效率较好和较差情况下形态学开运算对SVM方法的影响,建立了两相流贝蒂数演化规律与换热效率的关联性,比较了传统方法获得的气泡群数量和SVM方法获得的连续相“洞”的数量的演化规律。结果表明,SVM结合贝蒂数方法不仅可准确量化导热油连续相,且可粗略地表征气泡分散相;L6工况(连续相导热油液位高度Z=0.5 m、初始换热温差?T=120℃、分散相工质流率U0=0.04 m/s、连续相导热油流率Uc=0.15 kg/s)下连续相数量变化几乎重叠,相对波动较小,而L4工况(Z=0.5 m, ?T=80℃, U0=0.06 m/s, Uc=0.3 kg/s)下连续相数量偏离程度较大;SVM方法获得的连续相和气泡群个数演化曲线同步,且混合时间相同,?1和?0中位数偏离程度的局部最小值可作为性能指标之一,通过实验验证可优选出换热效果最好的工况。     

添加剂及其对直接接触式相变换热的影响

通过试验对在直接接触式气体水合物系统中非常有效的添加剂在直接接触式冰蓄冷系统中进行了研究 ,发现锌粉对直接接触式相变换热效果最好 ,而丁醇几乎没有效果     

气粒两相流与夹套耦合传热的数值模拟

采用夹套对造粒塔内的气粒两相流体进行冷却是一个既有多相流对流换热、单相流对流换热,又有固体导热不同流体之间相互作用的复杂过程.采用分区耦合的计算方法对该过程进行模拟,获得了造粒塔和夹套内详细的温度分布.考察了冷却水入口 温度、冷却水总量和3段夹套的冷却水比例对造粒塔内温度的影响.结果表明,冷却水入口温度显著影响造粒塔内...     

基于0-1测试的底吹搅拌混合过程混沌特性分析

通过建立水力学模型研究底吹搅拌混合过程,利用流场可视化技术与直接成像技术获取实验图像数据,引入0?1测试方法,考察了喷枪布置方式(个数与角度)对混合过程混沌特性的影响. 结果表明,基于颜色指示剂,利用数字图像处理手段可以近似估测混合过程的气含率,气含率演化规律符合实际工况运行特征;对各工况的气含率时间序列进行0?1测试,渐进增长率Kc中位数在一定程度上反映了不同混合过程的混沌强弱.     

从超音速蒸汽喷嘴到过冷水直接接触冷凝的数值模拟(英文)

The phenomenon of direct-contact condensation,used in steam driven jet injectors,nuclear reactor emergency core cooling systems and direct-contact heat exchangers,was investigated computationally by introducing a thermal equilibrium model for direct-contact condensation of steam in subcooled water.The condensation model presented was a two resistance model which takes care of the heat transfer process on both sides of the interface and uses a variable steam bubble diameter.The injection of supersonic steam jet in subcooled water tank was simulated using the Euler-Euler multiphase flow model of Fluent 6.3 code with the condensation model incorporated. The findings of the computational fluid dynamics(CFD) simulations were compared with the published experimental data and fairly good agreement was observed between the two,thus validating the condensation model.The results of CFD simulations for dimensionless penetration length of steam plume varies from 2.73-7.33,while the condensation heat transfer coefficient varies from 0.75-0.917 MW·(m 2 ·K) -1 for water temperature in the range of 293-343 K.     

CFD数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展

高集成化的微流控系统具有界面面积大、传递距离短、混合速度快等优势,已被广泛应用于许多科学领域。然而,微通道内多相流间的相互作用及动力学行为受多方面的影响,仅依靠试验观测技术和理论预测方法难以全面了解多相流传质传热过程、获取流场特性参数、揭示多相流相互作用规律。当下CFD数值模拟技术的快速发展为预测和分析微流控通道内的多相流问题提供了更为直观、有效、准确的帮助。本文对数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展进行全面综述,涵盖液滴微流控装置结构及演变、液滴微流控模拟方法及优化以及微通道内多相流作用过程及原理。     

循环射流混合槽内湍流强化传热数值模拟及射流层优化

循环射流混合槽(CJT)作为一种过程强化设备可以提高湍流的混合效率及反应选择性。为进一步提高其工业应用价值,对循环射流混合槽流场的传热能力进行分析并对其射流层数进行结构优化。在恒壁温的条件下,采用SST k-ω模型分析循环射流混合槽流场区域的非稳态流动传热特性。在充分湍流状态下研究了Re=3260~16 303,射流层数M=5~9对循环射流混合槽壁面对流传热特性及流场传热特性的影响。结果表明,M=9时对流换热系数的变异系数Ch随Re增加而减少,壁面传热均匀性提高2.8%~19.3%;流场与温度场协同性随Re增加而增加,Re=16 303时的协同角为75.5o比Re=3260时减小约0.5°。Re=9782时Ch随M增加而降低,壁面传热均匀性提高2.7%~16.3%;速度矢量与温度梯度协同性随M增加而减小,M=9时全局协同性相较于M=5时降低了6.1%。当M=7时中心混合区与射流混合区的场协同角均在73°~74°之间,两区域流场间热量传递能力匹配程度较好;当M<7时中心混合区的协同性优于射流混合区,当M>7时射流混合区协同性优于中心混合区。研究Re及射流层数M对循环射流混合槽热量吸收和传递性能的影响,发现Re的变化对循环射流混合槽吸热量的影响大于射流层数M的变化。     

液固及气液固三相并流系统的动力学行为和混沌产生的研究

运用时域、频域、吸引子及混沌特征参数相关维和Kolmogrov熵研究了液固并流系统动力学行为,揭示了液固并流系统是由拟周期过渡到混沌的。在拟周期行为的液固并流系统中引入气体,结果表明:低气速下,床层中只有冠状气泡,它表现为拟周期行为。随着气速的增大,床层中小气泡的出现及浆料湍动的作用使拟周期冠状气泡过渡为混沌,进而整个系统通向了混沌。     

Wax deposition modeling of oil/water stratified channel flow

Wax deposition modeling becomes complicated when multiphase flow is involved. Empirical heat and mass transfer correlations are unreliable for multiphase deposition modeling and full scale computational fluid dynamics calculations require expensive computational intensity. In this work, numerical methods are used to study wax deposition in oil/water stratified flow through a channel. A unidirectional flow analysis is used to calculate the nonisothermal hydrodynamics and mass transfer. It was found that the change in the position of the oil/water interface throughout the channel must be taken into accounted for the mass balance to be valid. Unfortunately, this change has not been accounted for in all previous studies. In addition, the growth of the wax deposit as a function of time along with the effect of oil/water flow rate ratio is discussed. The presence of water significantly reduces the severity of wax deposition by altering the heat and mass transfer characteristics. © 2010 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2011     

化工搅拌釜内流动测量技术的应用进展

搅拌釜内的物料混合是一个有限空间中的复杂非定常湍流问题,且常伴有强烈的传质、传热乃至反应过程。搅拌混合过程中影响因素多,理论分析难度大,实验获取搅拌釜内整场流动信息是其机理研究和搅拌混合设备优化设计的重要手段。本文归纳了在搅拌混合研究中传统流动测量技术的应用,分析其各自优缺点,着重探讨了新一代全场光学测速技术——粒子图像速度场仪（PIV）在搅拌混合实验中的应用,指出PIV在搅拌混合研究中具有广泛应用前景。PIV具有很高的空间分辨率和时间解析度,可以得到搅拌釜中混合流体的瞬时2D或3D速度场以及浓度场和温度场等信息,进行非定常湍流特性研究,有助于建立搅拌釜内多相流动模型,验证数值模拟结果,实现搅拌釜的优化设计,从而促进化工搅拌技术的进一步发展。     

微/小通道内非牛顿流体多相流动与传热研究展望

概述了微/小尺度非牛顿流体多相流动与传热现象。在评述国内外已有文献的基础上,从实验研究与数值模拟二方面介绍了非牛顿流体管内多相流动与传热研究的现状、存在的问题。总结了微小通道内非牛顿流体多相流动与传热研究领域中若干值得探索的研究切入点,提出了若干值得探索的研究内容。讨论了非圆截面微通道试验器件的设计与加工、流动可视化与流型采集、流动参数测量、数值模拟等关键技术解决思路,给出了微/小通道内非牛顿流体的绝热气液二相流动可视化实验、流动沸腾传热及可视化实验设计方案,可为深入探索微/小尺度非牛顿流体管内多相流动与传热特性提供参考和借鉴。     

Modelling of direct-contact evaporation using a simultaneous heat and multicomponent mass-transfer model for superheated bubbles

A recently developed model for coupled heat and mass transfer in binary systems during the formation and ascension of superheated bubbles was extended to a multicomponent system comprising N volatile species. The model allows variable properties and bubble radius changes, assuming diffusive mass fluxes to be properly described by Fick's law. Experimental direct-contact evaporation tests were conducted with ethyl acetate aqueous solutions to provide data for assessing the developed model. In addition, the model was tested against available literature data for an air-stripper. In both cases, a good agreement between simulation and experimental results was verified.     

Influence of Bubble Evolution on the Effective Kinetics of Heterogeneously Catalyzed Gas/Liquid Reactions. Part I: Reactions with Gaseous Products

For heterogeneously catalyzed multiphase reactions the formation of bubbles may have an influence on mass and heat transfer as well as on the effective reaction rate. This first of two contributions deals with the Ni‐catalyzed decomposition of H₂O₂, which was used as a model system for an (almost) isothermal reaction with a gaseous product. (In part II the strongly exothermic hydrogenation of hexene will be analyzed, where gas/vapor bubbles may be generated by overheating of the catalyst.) The discharge of O₂ bubbles formed by decomposition of H₂O₂ enhances the external mass and heat transfer up to one order of magnitude. This is in analogy to the well‐known phenomena during nucleate boiling. The experiments and theoretical considerations also show that the internal mass transfer depends on the intensity of the reaction and thus on the H₂O₂ concentration, which is in contradiction to the classical Thiele approach. This discrepancy could be explained by a modified model that takes the formation of bubbles into account.