【硕士论文】湿空气透平(HAT)循环饱和器内传热传质机理实验和数值研究.pdf

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1、上海交通大学博士学位论文摘要湿空气透平(HAT)循环饱和器内传热、传质机理实验和数值研究摘要HAT循环以高效率、高比功、污染小、变工况性能好、系统简单等优点而闻名。饱和器是HAT循环的关键部件，其加热、加湿性能的好坏直接影响到整个循环的效率。本文的目的是通过对饱和器内部典型的气液两相流动和传热、传质的过程的深入研究，丰富对这种复杂流动现象的认识，为研制高性能的饱和器积累关键的实验数据和提供重要的理论根据。随着科学技术的发展，各类先进的测量技术的不断出现，如激光动态粒子分析仪(PDA)、粒子图像测速仪(Prv)和高速摄像机等，为实验研究提供了新的测量工具；同时计算机

2、性能的飞速提高和计算流体力学技术的日趋完善，基于求解三维粘性Navier—Stokes方程、可实现k一￡湍流模型、颗粒运动控制方程、喷雾模型和考虑湍流扩散效应的分散颗粒群模型等的数值模拟方法，为饱和器内气液两相流动的研究提供了强大的手段。本文正是通过实验测量和数值模拟相结合的方法研究了饱和器内气液两相流动和传热、传质过程。本文主要研究内容和研究成果如下：1．利用激光PDA测量系统，测量了改进设计的离心式喷嘴喷雾场内球形水滴的二维平均速度、算术平均粒径、平均体积流量、浓度以及采集数据的有效率等参数的分布情况。改进的离心式喷嘴有良好的雾化性能和轴对称性，在各工况下喷雾

3、水滴的算术平均粒径均小于100／on，喷雾水滴的粒径比较均匀。喷嘴有较小的喷雾角，而且随水压变化几乎不变。2．设计、搭建了饱和器实验系统，并且新研制了相对湿度、温度等参数的测量技术，该实验系统是国内目前拥有实验手段最完善的饱和器实验系统。3．首次较系统地测量了多个工况下逆流式饱和器总体加热和加湿性能，以及其内部湿空气的相对湿度场、温度场和水滴的湿度场。根据实验结果，计算给出了饱和器内湿空气的含湿量和测量高度间湿空气的加湿量。随气流速度的增大饱和器结构带来的总压损失增大。由喷雾场引起的气流总压损失随着水压的增大而增大。在所有实验工况下，饱和器出口湿空气接近于饱和。随

4、水气质量比的增大，饱和器出口湿空气的温度和温升也相应增大。湿空气的含湿量和水的蒸上海交通大学博士学位论文摘要发量、出口温度随进口水温升高、水气质量比增大而增大。随空气速度增大水滴逃逸量增大。在测量区域内，湿空气和水滴之间的温差较小，在靠近喷嘴出口气液温差最大。4．利用三维粒子动态分析仪PDA测量系统，成功地测量了饱和器内球形水滴的三维平均速度、平均粒径和平均体积流量，同时也利用二维激光粒子速度分析仪PIV测量系统，测量了饱和器内单相气流和气液两相流动的瞬态流场。饱和器内水滴的轴向速度随着离开喷嘴出口的轴向距离增大而减小，同时由喷雾锥中心到边缘逐渐减小。水滴算术平均

5、D10以及Sautor平均粒径D32在整个测量段内都有比较小的值，D10大概为30／．on。气液两相测量结果显示，在喷雾锥的外测形成了两个大地涡流区。涡流区很不稳定，随着时间的变化它们位置和大小也在变化。5．利用FLUENT软件平台对饱和器内部气液两相流动以及传热传质过程进行了三维数值分析。气流单相流场的数值模拟的流场与实验PIV测量的流场在分布规律基本相同。由空气的三维速度分布可知，饱和器内气液相互作用强烈，流场紊流度很高，形成多个涡流区。湿空气的相对湿度和温度从饱和器进口到出口依次增大，在喷嘴出口有最大值。喷雾水滴在喷嘴出口具有最大的速度和温度，随着水滴的运动

6、其速度和温度迅速降低，而且部分水滴随气流一起运动。计算所得饱和器内水滴的算术平均粒径D10为52．3#删大于实验中PDA在测量段内的测量值。计算结果和实验结果基本吻合。另外也给出了不同粒径的水滴在不同喷雾速度和气流速度下的最大行程。6．最后利用高速摄影技术初步研究了单个水滴在具有不同速度、相对湿度和温度的逆向流动的气流中的运动规律。本文全面系统地研究了饱和器内复杂的气液两相流动，分析了饱和器内的湿化过程中传热、传质现象的特点，对于提高研制饱和器的水平具有重要的指导意义。关键词：HAT循环，饱和器，传热传质，PDA，PIV，两相流，数值分析本课题得到国家重点基础研究

7、发展规划973项目(G1999022303)的资助。II上海交通大学博士学位论文主要符号表主要符号表水滴表面积(m2)足绝热指数当地音速k。传质系数(m／s)4口q阻力系数k。连续相的导热系数(W／m·丘)水滴表面蒸气浓度吒喷雾锥长度(fnm)(kgtmol／m3)气相主流蒸气浓度．％m水滴质量流量她／s)(kg．mol／m3、气相定压比热州，水滴的质量㈥水滴比热(∥姆·足)N。粒子像密度蒸气扩散系数(m2厶)ⅣJ蒸气的摩尔流率(堙·mol／m2·S)喷口直径只喷雾水压似Pa)水滴直径(m)Pr连续相的普朗特数q。％‰砟m进出口气流温度差(℃)Red水滴雷诺数湿空

8、气含湿量(