【摘 要】
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天然气是一种新兴清洁能源,其工业用途越来越广泛。超音速旋流分离器是近些年来最具商业前景和实用价值的天然气脱水脱烃技术。本文结合数值仿真和实验探究两种方法对超音速旋流分离器中水蒸汽凝结流动及分离特性进行研究,主要研究工作及成果分为以下两个方面:对于超音速凝结流动特性,首先搭建了凝结实验平台和移动式超音速喷嘴实验模块,用以研究超音速定常凝结的流动特性。通过实验得到了不同入口相对湿度下连续的沿程压力分布
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“基于凝结旋流运动映射的超音速分离器多维性能优化研究”（批准号:51876143）； 国家自然科学基金项目“雾环状流涡街稳定性与测量机理研究”（批准号:61873184）； 国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“基于电/磁双模层析成像的高固含率气液固三相流态化实验装置”（批准号:61627803）；
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天然气是一种新兴清洁能源,其工业用途越来越广泛。超音速旋流分离器是近些年来最具商业前景和实用价值的天然气脱水脱烃技术。本文结合数值仿真和实验探究两种方法对超音速旋流分离器中水蒸汽凝结流动及分离特性进行研究,主要研究工作及成果分为以下两个方面:对于超音速凝结流动特性,首先搭建了凝结实验平台和移动式超音速喷嘴实验模块,用以研究超音速定常凝结的流动特性。通过实验得到了不同入口相对湿度下连续的沿程压力分布,发现随着相对湿度的增大,凝结会更容易发生,凝结的强度也随之增大。然后,建立了基于Eulerian求解器的两相凝结单流体仿真模型并通过实验数据验证了模型的准确性。随后,分析了非定常情况下的对称和非对称自激振荡凝结流动的频率和幅值特性,并讨论了载气对非定常自激振荡凝结的影响。最后,根据速度相图研究了非定常凝结对速度场的影响,通过分析热释放量,得到了在三种非定常自激振荡模式3、2、1中沿中心轴线的单位体积平均热释放量,分别为1.25×10~2 MW·m-3、1.6×10~2 MW·m-3和3.13×10~2 MW·m-3。对于旋流分离特性,首先通过实验研究了入口温湿度和载气压力对分离器的露点降和压损比的影响,发现露点降随着载气压力的增大而变大,而随入口温湿度变化较小。然后,建立了考虑相间滑移的凝结-蒸发的双流体模型,并通过实验验证了双流体滑移模型的准确性。随后,对分离器内部流场和旋流特性进行了研究,并讨论了入口非均质凝结核对分离器分离性能的影响。最后,发现入口非均质凝结核的等效密度为0.01 kg·m-3且入口非均质凝结核粒径为1μm时分离效果最佳。
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