發(fā)布時(shí)間：2018-10-25 14:56

【摘要】：超音速脫水分離技術(shù)在天然氣預(yù)處理中有著廣闊的應(yīng)用前景,在國(guó)際上已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。但在國(guó)內(nèi)的工程應(yīng)用還很少,主要原因是超音速分離管的脫水分離效率遠(yuǎn)未達(dá)到理想值。制約超音速分離管應(yīng)用的主要原因是在理論上對(duì)管內(nèi)兩相凝結(jié)機(jī)理描述不清晰,還不能給出針對(duì)實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)的通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此,要對(duì)超音速分離管內(nèi)部存在的可壓縮凝結(jié)性超音速流動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究,揭示其內(nèi)在機(jī)理,建立合理可靠的可壓縮凝結(jié)性超音速流動(dòng)理論模型,發(fā)展相應(yīng)完善并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的計(jì)算分析方法,探索有效改善工程設(shè)計(jì)的新方法無(wú)疑是非常重要的。本文在深入調(diào)研該技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上所做的主要研究工作包括:依據(jù)超音速分離管的工作原理,分別采用理想氣體狀態(tài)方程和PR實(shí)際氣體狀態(tài)方程對(duì)低壓和高壓條件下超音速分離管的喉部尺寸進(jìn)行了計(jì)算;采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同型面的漸縮段與漸擴(kuò)段組合的Laval噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析對(duì)比,推薦維托辛斯基曲線為適合分離管的最佳漸縮段型面;采用可壓縮氣體的等截面摩擦流理論對(duì)超音速分離管直管段進(jìn)行了分析研究,得出了設(shè)計(jì)工況下直管段的極限長(zhǎng)度;研究了擴(kuò)壓段擴(kuò)張角對(duì)摩擦損失的影響規(guī)律。采用提出的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)加工了分離管試驗(yàn)件,并搭建了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,以濕空氣作為工作介質(zhì)對(duì)其實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了壓損比、相對(duì)濕度等參數(shù)對(duì)分離管露點(diǎn)降的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在給定入口溫度下,隨著壓損比的增大分離管的露點(diǎn)降也增大,當(dāng)壓損比為72.6%時(shí),可以獲得22℃的露點(diǎn)降;通過(guò)對(duì)分離管脫水量的計(jì)算分析表明,單純壓力降低也可以導(dǎo)致露點(diǎn)降低。因此,在衡量分離管性能時(shí),應(yīng)該考慮這部分因壓力降而不是水分脫除導(dǎo)致的露點(diǎn)降,脫水量能更準(zhǔn)確地衡量分離管性能的好壞。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)超音速分離管的絕熱膨脹過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析表明,氣流在超音速分離管的流動(dòng)過(guò)程中存在較大的可用能損失,并且隨著壓損比的增大可用能損失幾乎線性增大;以PR方程為基礎(chǔ),建立了多組分天然氣高壓相平衡模型,以此模型可以預(yù)測(cè)超音速分離管達(dá)到相平衡時(shí)最大的理論分離量,也可以根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際分離量。建立了超音速分離管內(nèi)可壓縮、高速、旋轉(zhuǎn)氣體流動(dòng)的三維數(shù)值模擬模型,對(duì)超音速分離管氣體流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬計(jì)算,得到了壓力、溫度、速度、馬赫數(shù)等參數(shù)的分布規(guī)律,系統(tǒng)研究了壓損比對(duì)分離管性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于給定的分離管,降低背壓只能有限度地改善分離管的分離性能。當(dāng)壓損比較小時(shí),降低背壓,增大壓損比確實(shí)可以使Laval噴管漸擴(kuò)段的激波向出口移動(dòng),但是,當(dāng)壓損比超過(guò)某一值后,再增大壓損比,降低背壓并不能使激波點(diǎn)移出Laval噴管。當(dāng)背壓足夠小,決定激波位置的是Laval噴管下游的阻力特性。因此,減小Laval噴管下游部分的阻力是改善分離管性能的重要途徑。針對(duì)于激波無(wú)法消除的問(wèn)題,設(shè)計(jì)加工了流量可調(diào)節(jié)型超音速分離管并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)可以改善超音速分離管的性能。建立氣動(dòng)流場(chǎng)與兩相流離散顆粒模型(DPM)耦合的三維數(shù)值模型,采用粒子追蹤方法對(duì)超音速分管的分離效率做出預(yù)測(cè),系統(tǒng)研究了超音速分離管結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)(入口溫度、壓力及顆粒濃度)對(duì)分離管分離效率的影響。針對(duì)超音速分離管氣液兩相凝結(jié)相變流動(dòng)特點(diǎn),考慮質(zhì)量傳輸和能量消耗過(guò)程,建立高速可凝結(jié)組分氣動(dòng)凝結(jié)流場(chǎng)的計(jì)算模型,以空氣、水蒸氣及液態(tài)水為組分對(duì)超音速分離管的流動(dòng)凝結(jié)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了超音速分離管流動(dòng)過(guò)程中水蒸氣的凝結(jié)成核規(guī)律。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TE31

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7 ;[J];;年期

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本文編號(hào)：2294019