二氧化碳稀釋與超臨界混合流體熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象及機(jī)理研究.pdf

1、伴隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，化石能源的大量使用導(dǎo)致大氣中二氧化碳含量日益升高，由此帶來了非常嚴(yán)重的環(huán)境問題，如近年來備受關(guān)注的“溫室效應(yīng)”問題。為此世界各國都紛紛提出了切實(shí)的節(jié)能減排計(jì)劃并積極努力開發(fā)新型應(yīng)用技術(shù)。但是，如果直接限制二氧化碳的排放從一定程度上來說也會(huì)對(duì)一國經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成阻礙。因此研究二氧化碳的高效捕集技術(shù)既能夠帶來較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效應(yīng)的同時(shí)，也能夠?yàn)楸Ｗo(hù)自然環(huán)境，緩解甚至抑制溫室效應(yīng)做出積極貢獻(xiàn)。除此之外，在化工、煉油、冶

2、金、生化等工業(yè)過程中存在大量的氣液傳質(zhì)現(xiàn)象，由于實(shí)際過程的復(fù)雜性，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中缺乏有效的測試手段。因此建立起一套精確有效的測試系統(tǒng)是非常有必要的。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下尚沒有一種理論能夠精確預(yù)測氣泡傳質(zhì)行為。因此系統(tǒng)完整的研究氣泡在液相流體中的傳質(zhì)行為具有重要的研究意義和實(shí)際使用價(jià)值。
　　本文設(shè)計(jì)了一套可用于研究二氧化碳?xì)馀菹♂寕髻|(zhì)過程可視化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在不同溫度和壓力條件下對(duì)不同初始尺寸的氣泡變化圖像進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理

3、后獲得如下結(jié)論：
　　1.氣泡傳質(zhì)過程中直徑變化服從分區(qū)規(guī)律，包括快速區(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)、慢速區(qū)?？焖賲^(qū)內(nèi)氣泡直徑變化非常迅速，慢速區(qū)變化速度最慢，轉(zhuǎn)折區(qū)內(nèi)是一個(gè)由快而慢的漸進(jìn)變化過程。一般情況下快速區(qū)持續(xù)時(shí)間在200s左右，轉(zhuǎn)折區(qū)持續(xù)時(shí)間在100s左右，而慢速區(qū)持續(xù)時(shí)間則多長達(dá)2000s以上。
　　2.轉(zhuǎn)折時(shí)間與壓力和溫度相關(guān)。壓力越大轉(zhuǎn)折半徑越大，轉(zhuǎn)折時(shí)間越短，溫度越低，轉(zhuǎn)折時(shí)間越長，但總體而言差距并不是很大。
　　3.不

4、同區(qū)域內(nèi)傳質(zhì)速率相差非常之大，同一工況下，快速區(qū)傳質(zhì)速率與慢速區(qū)傳質(zhì)速率相差3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，相同壓力條件下，溫度較低時(shí)傳質(zhì)速率較大。
　　4.考察了表面張力與浮升力對(duì)氣泡接觸角的影響，結(jié)果表明當(dāng)氣泡尺寸較大時(shí)，浮升力占據(jù)主導(dǎo)作用，接觸角較小，當(dāng)氣泡半徑小于0.7mm左右時(shí)表面張力占據(jù)主導(dǎo)作用。
　　5.氣泡動(dòng)態(tài)接觸角的變化與氣泡尺寸變化規(guī)律息息相關(guān)，快速區(qū)內(nèi)氣泡動(dòng)態(tài)接觸角迅速增大，慢速區(qū)內(nèi)氣泡平衡接觸角基本維持穩(wěn)定。平衡接觸

5、角的大小與壓力狀態(tài)呈線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)平衡接觸角均小于90°。
　　6.采用數(shù)值模擬的方法對(duì)定界面與自由界面條件下氣泡變化過程進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算分析，數(shù)值結(jié)果表明，氣泡變化受溫度與壓力影響。
　　此外，工業(yè)領(lǐng)域中也存在大量超臨界混合流體的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，對(duì)于諸多特殊而重要的場合具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)研究意義，如低溫、空分、能源等領(lǐng)域。本文針對(duì)三維矩形腔體中的超臨界氮?dú)寤旌狭黧w的自然對(duì)流進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了活塞效應(yīng)、Soret效應(yīng)和

6、Dufour效應(yīng)對(duì)底部加熱、頂部定溫條件下流體自然對(duì)流發(fā)生發(fā)展的影響。建立了能完整描述超臨界混合流體流動(dòng)與傳熱的控制方程組，在多重網(wǎng)格的基礎(chǔ)上采用SIMPLE算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果顯示上述三種效應(yīng)作用下自然對(duì)流可劃分為三種狀態(tài)即穩(wěn)定邊界層、對(duì)流產(chǎn)生和發(fā)展及穩(wěn)定對(duì)流階段，且這三種作用在不同時(shí)間段上的作用效果具有較強(qiáng)的階段性效果。加熱初期底部形成穩(wěn)定的熱邊界層，活塞效應(yīng)以熱聲波動(dòng)方式加速能量輸運(yùn)，在該時(shí)期起主導(dǎo)作用。熱羽突破邊界層后向上運(yùn)動(dòng)