天然气液化冷箱并联配管的流体均布优化研究

【摘要】：并联管路流体分布不均一直是困扰换热器发展的一大难题,而对于多相流来说,流动机理更加复杂,控制其在换热器内均匀分配也更加困难。目前,随着能源需求的高速增加,以及出于保护生态环境的迫切要求,天然气作为一种清洁能源,其需求量大幅提升,作为液化天然气的核心设备一冷箱,也面临着大型化、高参数的发展趋势,冷箱内的流体均配对冷箱内部热量传递和液化性能参数有重要影响。以天然气的液化生产为研究应用背景,研究了大型冷箱内板翅式换热器配管系统的流体均配特性,探讨了不同流动工况、配管结构及两相流物性形态对其内流体分布与流阻的影响,分析了板翅式换热器配管系统内工况、流体动力学特性以及配管结构与流体分配不均之间的关系,提出了相应的板翅式换热器配管系统结构优化设计方案,对提高大型冷箱的产品性能,以及实际冷箱设计、加工及制造具有一定指导意义。本文主要研究内容如下：针对板翅式换热器并联运行的情况,构建板翅式换热器入口配管的二维物理模型,采用MIXTURE方法对不同气液比率、液滴粒径、气液相对速度下的流动进行了研究,获得了入口配管内压力场、速度场、气液相的体积分数分布等相关数据,分析了流量分配不均匀度与气液比、液滴大小、气液速度比之间的对应关系,得到气液两相流中,作为次要相的液相中液滴粒径较大时,流体分布比较均匀；在气液之间存在相对滑移速度,滑移速度越小即气液两相的速度越接近,流体分布情况越好,在气液两相的速度相等时,各支管的出口流量不均匀度最小。分析了不同结构的两种配管(A型配管与B型配管)结构的流体分布特性,对比了不同流动工况下的流体分布情况,并分析了两种配管内的流场,得出B型配管结构在流体均布方面要优于A型配管。在B型配管结构上,改变其入口管管径与出口支管管径,分析了不同管径比下的流体不均匀度,结果显示,管径比越小的情况,配管内流体分布越均匀,且在同样的管径比下,其它参数不变时,支管管径越小,流体的不均匀度越小。在二维数值模拟的基础上建立了配管的三维物理模型。在三维配管模型下研究了配管入口管与支管之间的夹角对流体分布的影响,分析其流量不均匀度及各个截面中的压力场、速度场,得出入口管与支管夹角为-90。时,流体分布情况最好。为优化配管系统的两相流均布特性,提出支管连接处加装多孔填充元件的介质均布措施,构建了基于多孔介质的配管数值计算模型,通过模拟计算获得了入口管、联箱与支管对应的压力分布与流量分配情况,与传统配管方式对比表明,该措施效果显著。 【关键词】：气液两相流 冷箱配管 流体均布 数值模拟
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 研究背景及意义15-17
• 1.1.1 研究背景15-17
• 1.1.2 研究意义17
• 1.2 多相流概述17-21
• 1.2.1 多相流的分类17-19
• 1.2.2 多相流的特点19-20
• 1.2.3 多相流的模型20-21
• 1.3 课题相关内容的国内外研究现状21-23
• 1.3.1 关于多相流的国内外研究现状21-22
• 1.3.2 配管方面国内外的研究现状22-23
• 1.4 本文主要研究内容23-25
• 第二章 冷箱并联配管内两相流动均布特性的数值模拟25-47
• 2.1 配管流动的数值模拟25-30
• 2.1.1 物理模型及网格划分25-27
• 2.1.2 控制方程及边界条件27-30
• 2.2 数值模拟的结果分析30-45
• 2.2.1 评价参数定义30
• 2.2.2 气液两相流中粒径大小对流体均布的影响30-35
• 2.2.3 气液两相流中气液比例对流体均布的影响35-39
• 2.2.4 气液两相流的相对滑移速度对流体均布的影响39-45
• 2.3 本章小结45-47
• 第三章 配管结构对流体分配均匀度的影响47-63
• 3.1 两种配管结构对流体分配的影响47-55
• 3.1.1 配管的结构尺寸参数和网格划分47-48
• 3.1.2 数值模拟的一些说明48-49
• 3.1.3 数值计算结果及分析49-55
• 3.2 管径比对流体分布的影响55-59
• 3.3 入口管与支管的相对位置对流体均布的影响59-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第四章 分支管入口填充多孔材料对介质均布的优化63-75
• 4.1 多孔介质理论63-65
• 4.1.1 动量方程64
• 4.1.2 湍流模型64-65
• 4.2 基于多孔介质的配管优化65-72
• 4.2.1 物理模型65-66
• 4.2.2 数值模拟66-67
• 4.2.3 结果分析与讨论67-72
• 4.3 本章小结72-75
• 第五章 全文总结及展望75-79
• 5.1 全文总结75-77
• 5.2 主要创新点77
• 5.3 存在的不足与展望77-79
• 参考文献79-85
• 致谢85-86
• 附件86

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