液-液撞击面的温度分布均匀性研究

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撞击流是将两股或多股同相或非同相流体对置撞击并最终在某一区域产生一个强烈的湍流区,可以大幅度提高相间传递系数,实现双多相流体快速高效的微观混合,是一种实现局部热量与质量传递特别高效的方法,在能源、化工等领域中存在着许多非等温流体对置撞击的应用。本文对不同条件下非等温过程液-液对置撞击后形成的气液混合撞击面的温度分布均匀性进行了研究。以温度不均匀系数和撞击面温度分布区间作为气液混合撞击面的温度分布均匀性的评价标准,利用Mixture模型数值模拟撞击过程,并基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术进行可视化测量实验验证计算模型。通过对不同的喷嘴出口速度(v)、喷嘴间距(L)以及湍动能等条件下,中心撞击和偏心撞击两种对撞方式下撞击面温度分布进行研究。结果表明,中心撞击和偏心撞击两种方式下的撞击面温度分布均匀性的规律近似相同。喷嘴直径和喷嘴间距一定时,增加喷嘴的出口流速,则温度不均匀系数整体呈下降趋势;喷嘴直径和喷嘴出口流速一定时,液-液相向撞击后形成区域温度场分布随喷嘴间距的增加,其温度分布区间呈减小趋势。L=3D时,温度的分布区间最小,温度场分布最均匀。湍动能的分布曲线越平稳,液-液对置撞击后形成的气液混合撞击面的温度分布越均匀。为研究各参数的影响特性,采用数值模拟与实验验证结合,并基于正交试验法对撞击面的混合均匀性进行优化。首先采用单因素分析法研究喷嘴直径、喷嘴间距、喷嘴出口流量和液体的互溶度等因素在不同出口温度下的撞击过程,利用温度不均匀系数评判撞击面温度分布的均匀性,获得各单因素的影响特性。然后通过设计四因素三水平的正交实验,利用极差分析对结构和操作参数进行综合优化,获得各参数的影响程度以及各参数的最优水平组合。结果表明:随着喷嘴直径、喷嘴出口流量、喷嘴间距的增加,温度不均匀系数先减小后增加;相溶性的两股液体对置撞击后,撞击面的温度分布均匀性较好;对混合面温度不均匀系数影响程度从强到弱依次为:喷嘴直径、液体互溶性、流量、对置间距。各参数的最优组合为:喷嘴直径为8mm,喷嘴出口流量为1100L·h-1,喷嘴间距为24mm,两喷嘴中分别为互溶的350K水和310k乙醇。
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