填充有/无多孔介质的T型管道中流体混合过程的流动与传热研究
石油化工、能源动力等领域的管道系统中的T型管道容易遭受温度波动而诱发热疲劳失效。冷热流体混合过程产生的速度和温度波动是诱发T型管道热疲劳的本质因为。本文通过建立混合过程的流动与传热模型,采用Smagorinsky-Lilly亚格子模型,对混合过程进行大涡模拟,捕捉混合过程中速度和温度信息。对速度和温度的时均值和均方根值进行分析,旨在揭示T型管道中冷热流体混合过程的流动与传热机理,进而提出在T型管道中填充多孔介质来削弱混合过程中的速度和温度波动。主要开展如下研究工作:
(1)T型管道中冷热流体混合过程大涡模拟数值结果的验证。无量纲时均速度和无量纲均方根速度的数值结果与已有文献的实验结果进行对比分析。
(2)在大涡模拟有效性验证的基础上,考察和分析反映惯性力的雷诺数Re和浮升力的理查德森数Ri对无填充多孔介质的T型管道中的冷热流体混合过程的影响。
(3)对比分析填充有／无多孔介质的T型管道中冷热流体混合过程的流动和传热特性。
通过上述研究,取得如下主要结论:
(1)数值结果与实验结果具有一定的吻合度,说明大涡模拟能够有效地预测T型管道内的冷热流体混合的流动与传热过程。
(2)对于无填充多孔介质情形,尽管对称面上无量纲时均速度和均方根速度、无量纲时均温度和无量纲均方根温度具有一定的差异,但总体上表现出良好的对称性；主管下游靠近混合中心较远离混合中心的无量纲均方根速度和无量纲均方根温度要大,说明下游靠近混合中心处较远离混合中心的冷热流体混合剧烈。
(3)对于无填充多孔介质情形,讨论分析了主管和支管入口流体无温差条件下,不同主管和支管入口动量比,亦即雷诺数Re对混合过程的影响,获得了典型的碰撞射流、偏射流和壁面射流等流型。动量比越大,时均速度沿z／db越均匀,均方根速度越小,亦即意味着支管垂直动量对主管水平动量的影响就越小。
(4)对于无填充多孔介质情形,讨论分析了不同主管和支管入口流体有温差条件下,理查德森数Ri对混合过程的影响。支管冷流体与主管热流体的温差越大,浮升力越大,无量纲时均速度和无量纲时均温度分布越不均匀,无量纲均方根速度和无量纲均方根温度越大。
(5)对填充有／无多孔介质算例的无量纲时均速度和温度、无量纲均方根速度与温度、功率谱密度等参数的对比分析,揭示了多孔介质能够使得冷热流体混合过程更加均匀,导致无量纲时均速度和温度分布更加均匀,无量纲均方根速度和温度更小,多孔介质能够有效降低T型管道中冷热流体混合过程的速度和温度波动。
本文揭示了诱发T型管道热疲劳失效的流动与传热机理,多孔介质能够有效削弱T型管道混合过程的速度和温度波动,对于T型管道的设计、优化、安全和生命周期评估都具有一定的理论意义和现实意义。
多孔介质;T型管道;流体混合过程;流体流动;传热性能;大涡模拟
北京化工大学
博士
化工过程机械
王奎升;卢涛
2011
中文
TQ055.81;TQ021.3
135
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）