液體連續(xù)相撞擊流水合反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)特性研究.pdf

1、天然氣水合物是天然氣與水在高壓低溫的條件下形成的類冰狀籠形結(jié)晶化合物，其被認(rèn)為是21世紀(jì)最具潛力的潔凈新能源。目前天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是水合物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。天然氣水合物的快速生成技術(shù)是天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)應(yīng)用的前提，同時(shí)也是其它天然氣水合物應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)。
　　基于對(duì)水合物生成機(jī)理的研究，水合物的生成過(guò)程即氣液兩相之間的溶解成核過(guò)程，因此，強(qiáng)化氣液兩相傳遞過(guò)程能促進(jìn)水合物的快速生成。撞擊流過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)作為一種新型、高效、節(jié)能

2、的過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于燃燒、結(jié)晶、萃取、混合等化工領(lǐng)域。撞擊流技術(shù)相比傳統(tǒng)的過(guò)程強(qiáng)化手段，其相對(duì)極高的相間相對(duì)速度能極大地強(qiáng)化相間傳遞過(guò)程。
　　撞擊流過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于水合物快速生成領(lǐng)域，是一種新的嘗試。針對(duì)水合物生成的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了液體連續(xù)相撞擊流水合反應(yīng)器，考察了液體連續(xù)相撞擊流水合反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)特性，采用現(xiàn)代流體測(cè)量技術(shù)激光多普勒測(cè)速儀（LDV）和數(shù)值模擬兩種方法，分析水合反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)及速度波動(dòng)情況，以期通過(guò)對(duì)其

3、流動(dòng)特性的研究為液體連續(xù)相撞擊流在水合物快速生成領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，取得以下研究成果：
　　（1）撞擊區(qū)流體速度及速度波動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。采用LDV對(duì)徑向位置（圖3.4） r/R=0.5、r/R=1、r/R=1.5處的豎直方向速度分量及波動(dòng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流筒處的流體流動(dòng)不是平推流，徑向位置r/R=1處的流體是同軸相向的流體撞擊束。進(jìn)一步對(duì)該位置的速度波動(dòng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)豎直方向速度波動(dòng)最小的位置位于兩導(dǎo)流筒

4、中間的中面位置，波動(dòng)最強(qiáng)的位置位于中面上下兩側(cè)處（見(jiàn)圖3.8）。且研究表明豎直方向速度湍流強(qiáng)度最強(qiáng)的位置為 Z=3處，該處位于兩導(dǎo)流筒中面的上方（見(jiàn)圖3.9）。
　　（2）不同傾角斜葉槳式攪拌器的流體推進(jìn)能力研究?；趶较蛭恢?r/R=1為撞擊束位置的結(jié)論，采用LDV測(cè)量了r/R=1導(dǎo)流筒出口處的豎直方向速度。發(fā)現(xiàn)對(duì)于30°、45°與60°三種傾角攪拌器，傾角越大導(dǎo)流筒出口處的速度越大。同時(shí)，對(duì)于同一攪拌器，轉(zhuǎn)速越高，出口速度越大

5、，二者近似呈線性關(guān)系?？紤]到攪拌器推進(jìn)能力的各種影響因素，定義豎直方向速度與槳葉豎直方向上的輻射面積的乘積來(lái)反映槳葉的推進(jìn)能力的大小，比較得出45°傾角的斜葉槳式攪拌器相比30°與60°斜葉槳式攪拌器，具有更好的推進(jìn)能力。
　?。?）液體連續(xù)相撞擊流數(shù)值模擬研究。采用Fluent中應(yīng)用最廣泛的k-ε模型和MRF方法考察了反應(yīng)器不同轉(zhuǎn)速（200、400、600、800 r/min）下的流場(chǎng)。將徑向位置r/R=1處豎直方向速度的數(shù)值模

6、擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果趨勢(shì)相同，證明了數(shù)值模擬研究方法的可行性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速為200、400、600、800 r/min時(shí)撞擊面向上偏移中面（mid-plane）的距離分別為1.21 mm、1.61 mm、1.685 mm、1.766 mm。同時(shí)發(fā)現(xiàn)重力作用是造成撞擊面偏移的原因，且隨著槳葉轉(zhuǎn)速的增大，反應(yīng)器內(nèi)流體湍動(dòng)強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，且最大湍動(dòng)強(qiáng)度依次為1.49％，3.00%、4.53%、6.04%。最大湍動(dòng)強(qiáng)度