气相作用下液滴形态演变过程研究

气相作用下液滴形态演变过程研究

【摘要】： 气液分离过程会影响液化天然气(LNG)工艺生产能效。气相作用下液滴形态演变过程以及LNG液滴变形破碎过程是LNG气液分离过程的核心问题。该研究将为其生产过程中气-液分离应用提供理论参考。通过采用数值模拟的方法,对LNG液滴在气相作用下的破碎模式、变形破碎特性和蒸发过程展开研究。采用CLSVOF方法对LNG单液滴在其气相中的变形破碎过程进行模拟研究;采用VOF和Lee模型对不同环境下的蒸发过程进行如下数值模拟研究:(1)研究了相同气液初始相对速度下,液滴的不同初始直径和液滴的相同初始直径下,不同气液初始相对速度及We_r数对液滴变形破碎过程的影响。随着We数的增大,维持液滴形态的表面张力和黏性力不足以克服气动压力的作用,LNG液滴出现袋状、多模式、剪切等破碎模式,发生破碎的We数与已有研究结果大致吻合。(2)对变形破碎过程中的液滴进行参数提取和特性表征,分析了不同We数下液滴的形态特征及破碎模式,得到了液滴的初始直径、韦伯数与无量纲变形时间及变形破碎总时间的变化规律,并拟合出了不同直径的液滴,数与变形破碎总时间的关系式。液滴的无量纲变形时间随着的增大而减小,变形破碎总时间先减小后增大。(3)研究了液滴变形破碎过程中的动力学特性,分析了液滴变形破碎过程中母液滴速度、加速度及其阻力系数随时间的变化关系,分析了液滴所处压力场、速度场与其时间的变化关系。液滴速度与时间呈正相关,加速度和阻力系数有着相似的变化趋势,并随着液滴的变形破碎起伏变化,其阻力系数可以作为液滴变形破碎的辅助判据。(4)研究了LNG液滴自然对流环境下的蒸发过程,研究了液滴初始直径和环境温度对其蒸发过程的影响,得到了液滴的质量蒸发率的变化,分析了Marangoni流动带来的影响。随着环境温度的升高,质量蒸发率增大,温度边界层梯度也随之增大。随着直径的增加,质量蒸发率增大,温度边界层变薄,温度梯度变大,换热量增强。Marangoni流动会加快其蒸发过程。(5)研究了LNG液滴强对流环境下的蒸发过程,研究了液滴初始直径、环境温度和气流强度等因素对其蒸发过程的影响,得到了不同因素下液滴质量蒸发率的变化及其传热传质特性。强对流过程中液滴的质量蒸发率总体大于自然对流环境下的蒸发率。环境温度、液滴直径和气液相对速度均会对液滴蒸发过程产生影响,气液相对速度对液滴蒸发过程的影响最小。通过对LNG单液滴的研究,得到了LNG液滴在其气相中的变形破碎机制及动力学特性变化和蒸发过程中质量蒸发率及温度场的变化。通过以上LNG液滴变形破碎过程和蒸发过程的研究,为同种介质液滴气相和液相的两相作用机理提供参考,同时为LNG工业生产和贮存等应用方面提供理论依据。

【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2021

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