汇流管道混合特性-研究

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1、东北大学硕士学位论文第一章绪论1．1工程背景及意义本课题是针对大多数工程实际中输送管道流动的混合特性展开的研究。在此课题中输送对象为单相流体。一般地，过程工业工程中输送的流体，在加工过程中需要进行混合操作，但混合的要求不一，为满足要求，经常需要进行核算与预测。因此将不同成分的流体通过汇流管道混合，在混合过程中我们只要控制好它们的流量、管径比等参数，就完全可以获得所需成分比例和要求。这样既可以提产品质量和生产效率，又可以满足其经济性要求。在汇流方面，研究者们做了大量的研究工作，他们的研究模型大都分都是管道对无限

2、场的情况，与本文的情况相差比较大，而在实际情况中，类似于本课题，管径相当的情况居多，因此本文将进行汇流仿真模拟。并通过实验进行验证。汇流是一种非常复杂的流动，它广泛存在于各种工程领域，例如航天、航空方面的火箭、喷气式飞机，动力工程中使用的蒸汽泵、汽轮机、锅炉、燃烧室，化工设备中的混合装置，以及汇流切割，水力采掘，民用消防，农业灌溉和通风设备中等等都有大量的汇流问题。汇流管内流动以及明槽中流动的不同之处在于：管流周界全是固体，明槽流动除了水面外大部分也是固体，而汇流除了贴壁汇流以外，大多数情况下汇流的周界以流体

3、为主。这一特定也就造成了汇流分析中的复杂性。以不同的角度可以将汇流分为不同的类型。按流动形态可以分为层流汇流和紊动汇流(工程实际中大多数为紊动汇流)。按汇流的断面形状可以分为平面(二维)汇流、圆形(轴对称)汇流、矩形(三维)汇流等，因为汇流周围环境对汇流有着重要的影响，因此也有按照环境的状况来分类的。在无限空间的流体内运动的汇流称之为自由汇流，如烟气排入空气之中；在有限空闻的流体内运动的汇流称之为非自由汇流或有限空阀汇流，如化工设备中的混合装置等。如果汇流是进入同种性质的流体之内，那么可以称之为淹没汇流，如污

4、水排入水流当中等：相反如果汇流进入不同性质的流体之内则称之为非淹没汇流，如大气之中的水、7Ii流等。除了以上所述之外，周围流体的运动状态对汇流的影响相当的重要的，如周陶流体是静止的还是运动的，如果是运动的话其运动的方向与汇流是平行的还是相反的，是垂直的还是成某一角度等等。此外也有按照汇流的原动力把汇流分为动量汇流、浮力汇流以及浮汇流三类的方法。1．2文献综述由于在实际工程中有着广泛的应用，关于汇流的系统研究早在上个世纪30年代就开始了，早期的实验研究}：要集中在支流平均轨迹以及沿着平均轨迹支流的演化、速东北大

5、学硕士学位论文第一章绪论度场分布和支流孰迹的关于支流的系统研究早在上个世纪30年代就开始了，早期的实验研究主要集中在支流平均轨迹以及沿着平均轨迹支流的演化、速度场分布和支流轨迹的。相关文献表明，在早期的研究中支流的轨迹得蓟了极大的重视，人们研究的重点也在此领域。Hawthprne、Rogers及Zaezck[。l等通过实验研究了冷空气支流通过一导管射入矩形槽内时的相对深度以及支流与主流的混合程度，他们定义支流的汇合深度为由支流出El平面到1．5倍的导管宽度的下游处的最小深度点的垂直距离，利用支流的初始条件，结

6、合大量的实验数据的整理，他们提出了如下的关联式来表示汇流中的汇合深度与支流和主流的初始参数之问的关系：三／d=”k,t锡M+：姊／M，，,虿‘1．1)1t锡+姊，，Qp““7式中，L为支流的汇合深度，d为支流导管的特性尺寸(当导管截面为矩形时，d为矩形的宽度，如果导管为圆形时，d为圆管的直径。一下同)，kI、b为由试验得到的常系数；Mj、Mp分别为支流和主流的动量；Qi、Qp则分别为支流与主流的体积流量。根据他们的经验，这个关系式有着较为宽广的适用范围，从横向的相对汇合深度为0．6一直到1．0都可以应用此式。

7、他们还发现，对于相同的主流的流动条件，圆形和方形具有大致相同的汇合深度，而纵式矩形孔的汇合深度较大，横式矩形孔的汇合深度相对较小。Norster和Chapmanl21通过测量冷空气支流通过圆形导管射入热的烟气主流当中的温度获得了支流汇合深度如下的表达式：y／J，一=1～0．7exp(_h／y。)(1．2)上式中，Y为不同截面上支流的汇合深度，ym。则为支流的最大汇合深度，k是取决于支流与主流流动条件的常数。最大汇合深度由下式决定：y∥乩224(矧in。，上式中·乃和B分别为支流与主流的密度，V，及V，分别为支

8、流与主流的流速。他们认为，支流的最大汇合深度只取决于支流与主流的动量通量比。Partas和Bossoml3I也曾经对三通管汇流的流动轨迹进行过研究，他们认为支流的轨迹应该表示为：予制”㈦”㈦4，．2．东北大学硕士学住论文第一章绪论Chu[41研究了倾斜支流在主流中的流动特性，并提出了两个重要参数：附加质量系数和夹带系数。Wul51则是对不同的支流管截面形状下支流的发展进行了可视化观察。有研究者致力于