伴有鹽析的兩相流動現(xiàn)象普遍存在于相關工業(yè)生產(chǎn)部門的鹽類溶液輸運流程中,結(jié)鹽會造成能源與資源的極大浪費,這是學術(shù)界和工程界迫切需要解決的難題。目前對鹽析兩相流動理論的研究仍處于探索之中,葉輪機械內(nèi)部鹽析流動機理尚未被揭示。在國家自然科學基金項目(No.50476068)及江蘇省普通高校研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項目(No.CX07B_093z)的資助下,本文選擇適用于鹽類溶液輸運的旋流式模型泵為研究對象,以具有典型鹽析特性的硫酸鈉過飽和溶液為輸送介質(zhì),圍繞鹽析兩相流動理論、旋流泵內(nèi)鹽析兩相流動機理等問題進行了較為系統(tǒng)的研究,主要工作及取得的創(chuàng)新性成果如下: 1、從分析鹽析過程基本理論入手,詳細闡述了晶體成核及生長、晶體顆粒輸運等過程及其與流動的關系,研究認為:鹽析進程中,過冷度(過飽和度)是鹽析晶體晶核形成最直接的相變驅(qū)動力,非均相成核與碰撞成核是泵內(nèi)鹽析晶體成核的主導機制,且成核速率、成核后的晶體顆粒粒徑與濃度分布受當?shù)亓鲃訔l件的制約。 2、借鑒界面相理論的思想,首次提出并定義了鄰界區(qū)概念,用以描述鹽析層及其鄰近區(qū)域特征,并將其劃分為鹽析界面層、吸附層和過渡層三部分,每一部分的結(jié)構(gòu)與特性各不相同,在鹽析過程中所起的作用也有差異;同時也對鹽析層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特性進行了分析,闡明了鹽析層增長的數(shù)學處理方法及實驗研究方法,由此提出研究泵內(nèi)鹽析進程時可建立“揚程—鹽析時間”關系的設想。 3、在上述研究基礎上,采用雙流體模型構(gòu)建了比較符合實際的鹽析流動物理模型,再利用流體力學方法建立了完整的鹽析兩相湍流流動方程組,給出了質(zhì)量、動量、能量交換率及其它本構(gòu)關系式,并采用k-ε-k_p模型對方程組進行封閉;在方程中計入因葉輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力和科氏力等慣性力的作用,建立了葉輪機械中的鹽析兩相流方程組。 4、提出引入粒數(shù)衡算模型(PBM)來描述泵內(nèi)因鹽析晶體顆粒間及顆粒與葉輪葉片或流道內(nèi)壁間碰撞而產(chǎn)生的聚并、破碎等微觀行為,并將其與宏觀屬性聯(lián)系起來。研究表明用PBM-CFD的耦合方法可提高雙流體模型的精度,對其應用于鹽析流場計算的方法及存在的問題進行了分析,為鹽析兩相流動研究提供了一種新方法。 5、基于Eulerian多相流模型和混合的RNG k-ε兩方程湍流模型,采用滑移網(wǎng)格技術(shù),對模型泵內(nèi)的鹽析兩相流場進行了全流道、三維非定常計算,初步揭示了不同時刻、不同溫度條件下泵內(nèi)液相和鹽析晶體顆粒相的運動特性及顆粒的遷移規(guī)律;根據(jù)顆粒濃度分布特點,推測泵內(nèi)的鹽析進程為:鹽析層最初在壓水室內(nèi)壁及葉片工作面形成并不斷增厚,最終堵塞流道。此外對泵送清水和鹽溶液時的性能也進行了預測,并將結(jié)果與外特性試驗數(shù)據(jù)對比。 6、運用PIV在徑向和軸向兩種測量模式下對泵內(nèi)不同外部條件下鹽析兩相流場進行了準三維測量,經(jīng)圖像后處理,獲得了鹽析晶體顆粒在葉輪內(nèi)、無葉腔中及軸面上的速度矢量分布,實現(xiàn)了顆粒流場的可視化,更為直觀地揭示了泵內(nèi)鹽析顆粒的運動規(guī)律。計算得到的顆粒運動規(guī)律與PIV實驗結(jié)果基本一致,但在數(shù)值上與實驗值存在一定差異。 7、摸索了一套PDPA應用于葉輪機械內(nèi)部鹽析兩相流場測量的有效方法,并對模型泵內(nèi)鹽析兩相湍流流動進行了較細致和全面的測量,獲得了鹽析兩相在無葉腔與葉輪內(nèi)的湍流流動特性、鹽析晶體顆粒粒徑分布及濃度分布規(guī)律,并通過改變運行工況、輸送介質(zhì)溫度、濃度等這些影響泵內(nèi)鹽析流動體系的主要參數(shù),發(fā)現(xiàn)并詳細分析了鹽析流動隨外部條件改變后的演化規(guī)律,基本掌握了無葉腔及葉輪內(nèi)的鹽析流動機理。 本文的研究成果、研究方法在一定程度上可以推廣應用于其它類型葉輪機械內(nèi)的鹽析流動的研究。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2009
【中圖分類】：TH311
【部分圖文】：

鹽析兩相流是工業(yè)中常見的現(xiàn)象，普遍存在于石油、化工、造紙等行業(yè)的鹽類溶液輸運過程中。鹽析現(xiàn)象產(chǎn)生后，從溶液中析出的晶體顆粒在各種輸運勢作用下發(fā)生沉降并粘結(jié)于輸送設備內(nèi)壁，形成鹽析層，又稱之為結(jié)鹽。圖1.1.1示出了在制漿造紙堿回收及鹽湖采輸鹵流程中鹽析現(xiàn)象發(fā)生后粘結(jié)于管道內(nèi)壁及輸送泵葉片上的鹽析層形貌。鹽析層一旦形成后會隨著流程運行而不斷增厚，且難以清除，由此改變了流程的技術(shù)參數(shù)，最終將堵塞流道，必須進行設備的清洗或更換，嚴重影響了流程的正常運行，造成了能源與資源的極大浪費。目前工業(yè)生產(chǎn)部門只能采取上述被動的方法應對由結(jié)鹽造成的后果，防結(jié)鹽技術(shù)、裝備的研發(fā)和應用工作幾乎是空白，其原因就是長期以來一直缺乏合適、可靠的理論指導，缺乏對鹽析流動機理的研究。近年來，對鹽析兩相流動的研究受到了國內(nèi)外科技工作者的重視，進行了從

1、鄰界區(qū)結(jié)構(gòu)若假設從鹽析層表面開始，鄰界區(qū)可分為三個部分:鹽析界面層、吸附層和過渡層(如圖2.3.1所示)。其中鹽析界面層位于鹽析層的表面，是鹽析層的一部分;吸附層位于鄰界區(qū)中間，其內(nèi)側(cè)與鹽析界面層接觸，外側(cè)與過渡層接觸;過渡層是鄰界區(qū)最外層，與主流區(qū)相鄰。鹽析層的增長屬于一種外延生長方式，是鹽析層向主流中不斷推移的過程，在這一過程中，鹽析層與主流的交界區(qū)域—鄰界區(qū)擔負著傳質(zhì)、傳熱、傳動等至關重要的作用。每一層的特性及功能都有著顯著的差別，在鹽析過程中所起的作用也不盡相同，因此，下面對各部分作詳細描述�！鱭’△C刁下

鹽析層一旦形成會不斷增厚，形成的鹽析層本身也會隨輸運時間發(fā)生結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化，晶體的老化過程隨之開始。文獻【32]給出了CaSO;鹽析層粘結(jié)于過流通道內(nèi)壁上的形態(tài)，如圖2.3.2所示。從圖中可以看出，鹽析層并非各向同性，按照層與層之間的鹽析晶體密度差異，可將鹽析層大致分為四個層次。沿過流通道內(nèi)壁面向主流方向，鹽析層密度隨厚度的變化規(guī)律如圖2.3.3所示1331。從第四層(Layer4)至第一層(uyerl)，鹽析層密度逐漸減小;相對于一、四層，第二、三層(uyerZ，3)的密度曲線斜率明顯較大，說明在鹽析層中部區(qū)域的鹽析物質(zhì)特性變化迅速
【引證文獻】

相關期刊論文 前1條

1 楊敏官;吳承福;高波;;離心泵內(nèi)部鹽析晶體顆粒分布特性[J];江蘇大學學報(自然科學版);2010年06期

相關博士學位論文 前1條

1 杜俊;復合膜生物反應器處理榨菜廢水效能及膜污染控制試驗研究[D];重慶大學;2011年

相關碩士學位論文 前3條

1 汪亞運;離心泵內(nèi)鹽析液固兩相流動的研究及優(yōu)化設計[D];江蘇大學;2016年

2 魏英華;MBR處理高鹽榨菜廢水膜污染特性與處理效能研究[D];重慶大學;2013年

3 吳承福;離心泵葉輪內(nèi)鹽析晶體顆粒運動及粒徑分布特性的研究[D];江蘇大學;2010年

本文編號：2892552