磁場作用下的低溫氧氮混合流體熱質傳遞機理研究.pdf

1、工業(yè)氣體是現(xiàn)代工業(yè)的“血液”，氧、氮、氬等工業(yè)氣體產品主要來自于空氣分離。低溫精餾法處理量大、產品純度高，是目前應用最廣泛的空分方法。低溫精餾裝備在鋼鐵、石化等行業(yè)的設備投資和運行費用中占有很高的比例，對其強化與節(jié)能的研究具有重要意義。目前，這些研究主要集中于空分流程設計、部件設計制造技術和控制技術的不斷改進，在精餾過程機理乃至原理革新方面卻相對缺乏。本文提出利用非均勻磁場輔助低溫精餾分離的新方法，可望綜合利用氧氮的沸點差異和氧的低溫強

2、順磁性顯著提高分離效率。目前，對于該方法的研究尚處于起步階段，磁場對精餾中各物理過程的作用機制尚未明確，無法支撐未來磁場輔助精餾理論體系的構建和驗證樣機的研發(fā)。
　　本研究主要內容包括：⑴基于有限元數(shù)值計算方法對非均勻磁場下的液氧自由液面流動進行了研究，初步驗證了利用磁場控制氣-液氧兩相流動界面和流場的可行性。通過數(shù)值方法研究了非均勻磁場下二維平行板流道中的氣-液氧的自由液面流動，并與常溫空氣-水的流動進行了對比分析。在高磁場強度

3、的流道中心處，液氧的液位被非均勻的磁場力提升，從而在液相主流的下方形成了一個低流速區(qū)。同時，隨著磁通密度的增大，流動壓降由于液相局部流動截面的擴大而減小。當磁通密度為0.25 T時，對于不同的入口工況，流動壓降相比于無磁場時都下降了7-9％。模擬結果初步證明了利用非均勻磁場來控制氣-液氧兩相流動的可行性。⑵對交變磁場作用下平行板流道內的液氧對流傳熱過程進行了多物理場耦合模擬，揭示了磁場驅動的含氧流體傳熱強化“高效低阻”的技術優(yōu)勢。利用多

4、物理場耦合模型針對交變磁場作用下平行板流道內的液氧對流傳熱過程進行了模擬研究，結果表明交變磁場引發(fā)了周期性的渦流生成和脫落，這些渦流可以有效地破壞無磁場時穩(wěn)定的熱邊界層，進而促進流道內冷熱流體的混合，從而顯著提升了液氧的對流傳熱效率。磁場強化后流道內的平均努塞爾數(shù)相比于無強化的自由流動最高增長了86.1%，且其傳熱強化評價指標PEC（1.18-1.45）普遍高于傳統(tǒng)翅片強化的方式（0.67-1.02）。這些結果表明，磁場驅動的液氧傳熱強

5、化方法，可以在不劇烈增大壓降的前提下，顯著增強對流傳熱系數(shù)。⑶基于激光干涉低溫可視化方法，首次通過實驗探索了非均勻磁場及高梯度導磁填料對于低溫氧氮混合流體傳熱傳質過程的作用機理。設計并搭建了激光干涉低溫傳質可視化實驗裝置，并采用一維連續(xù)小波變換進行二維半定量濃度場的提取，開展了磁場作用下的液態(tài)氧氮混合傳質實驗研究。實驗結果表明，磁場下液態(tài)氧氮的混合傳質過程可以分成四個不同的階段，包括液氧充注階段、濃度分層擴散階段、穩(wěn)定蒸發(fā)階段和不穩(wěn)定鼓