流體中雜質(zhì)低溫凝固過程的介觀數(shù)值方法研究.pdf

1、“冰堵”現(xiàn)象嚴(yán)重影響制冷與低溫系統(tǒng)的運(yùn)行和安全。制冷系統(tǒng)中，若制冷劑中混入了水分，在節(jié)流閥之后由于制冷劑溫度降至0℃以下，會(huì)使得制冷劑中的水凝固成冰，從而堵塞節(jié)流閥造成冰堵。低溫液體（如液氫、液氧和液氮等）生產(chǎn)和輸運(yùn)過程中，雜質(zhì)可能會(huì)凝固，在閥門處積聚造成堵塞問題。宏觀尺度的研究對(duì)相界面的描述和捕捉有一定的局限性。介觀數(shù)值模擬方法研究可以加深對(duì)凝固過程的認(rèn)識(shí)，深入了解冰堵現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理。本文通過相場(chǎng)法(Phase Field Metho

2、d，PFM)和格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)對(duì)凝固過程進(jìn)行研究。
　　首先針對(duì)流場(chǎng)靜止的情況下，利用相場(chǎng)法模擬出凝固發(fā)生時(shí)枝晶生長(zhǎng)的過程。從圓形晶核開始不斷長(zhǎng)大，由于各相異性的存在，6個(gè)主軸枝晶生長(zhǎng)而出，隨著凝固的繼續(xù)，主軸上又有二次枝晶生長(zhǎng)而出。過冷度越低，枝晶生長(zhǎng)越快，凝固速率越快，主軸上的二次枝晶也越細(xì)密。利用文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果，兩者具有較好的吻合性。
　　然后

3、，針對(duì)運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)情況下的凝固過程，利用相場(chǎng)法與格子玻爾茲曼方法，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，枝晶呈不對(duì)稱生長(zhǎng)，迎流側(cè)主軸枝晶與二次枝晶都較為發(fā)達(dá)，背流側(cè)的枝晶生長(zhǎng)受到抑制，二次枝晶生長(zhǎng)不明顯。造成枝晶生長(zhǎng)不對(duì)稱性的主要原因是運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)造成迎流側(cè)固液之間溫度梯度較大，持續(xù)過冷，有利于枝晶的生長(zhǎng)。背流側(cè)由于流速較低以及上游流體帶來的熱量，導(dǎo)致過冷度較小，枝晶生長(zhǎng)受到抑制。最后利用文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了模型，發(fā)現(xiàn)具有較好的吻合性。
　　本文提出的相場(chǎng)-格子