【摘 要】
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工业生产中存在着大量的高温液态金属倾倒过程,其伴随着产生大量高温烟气。目前针对动态倾倒过程产生的烟气,常常采用控制最大烟气散发量作为排风系统排风量的设计方法而造成通风系统能耗增加。因此,研究整个倾倒过程中的污染源的变化规律特性,有助于通风系统的精细化设计。为了深刻的理解高温金属倾倒过程诱导污染气流的变化过程,本文首先明确了倾倒过程中液态金属的两种流动状态——链式碰撞模式下和不连续模式下,理论分析不
【基金项目】
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十三五国家重点研发计划项目课题“高温烟尘散发特性与控制关键技术研究(2018YFC0705302)”; 国家自然科学基金项目“具有阵发性污染源的大型厂房通风系统能耗研究(51608424)”; 国家自然科学基金项目“面向工业厂房高温烟气环境的通风与水雾喷淋协同控制研究(20190418)”;
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工业生产中存在着大量的高温液态金属倾倒过程,其伴随着产生大量高温烟气。目前针对动态倾倒过程产生的烟气,常常采用控制最大烟气散发量作为排风系统排风量的设计方法而造成通风系统能耗增加。因此,研究整个倾倒过程中的污染源的变化规律特性,有助于通风系统的精细化设计。为了深刻的理解高温金属倾倒过程诱导污染气流的变化过程,本文首先明确了倾倒过程中液态金属的两种流动状态——链式碰撞模式下和不连续模式下,理论分析不同段的诱导气流运动的影响的主要因素;其次,通过模型实验分析整个倾倒过程链式碰撞模式下主要散发源——非等温涡流(扩散涡)的散发过程变化,分析链式碰撞模式下诱导气流的流动特性和传热特性;最后,针对非连续段诱导气流的扩散角度和传播速度的影响因素进行实验探究。得到主要结论如下:(1)根据倒罐工艺其旋转角速度为0.013 rad/s,分析得到倾倒流体状态为链式碰撞模式下,对于旋转角速度超过0.030 rad/s后,将会出现液体不连续现象;通过量纲分析得到链式碰撞模式下倾倒过程中诱导的气流的边界层阿基米德数Arδ(z)与倾倒流体流量0q和倾倒高度Z以及流体与环境温差Δt有关且影响因素大小排序为0q>z>Δt;通过理论分析影响倾倒不连续模式下的主要因素为倾倒流量和液气温比。(2)本文设计并搭建了高温液态金属倾倒诱导气流的模型实验台,开发了彩色纹影测试系统和相关定量算法方法。通过彩色纹影实验发现链式碰撞过程中产生一股非等温涡流(简称扩散涡)是诱导气流重要的散发源;发现扩散涡直径和距罐口的距离在整个倾倒过程中按照傅里叶级数形式变化,在倾倒周期2/5时,倾倒流量最大、散发量最大;此外,通过实验发现整个倾倒过程中扩散涡距罐口平均距离是罐口半径的一半,故应加强罐口下方区域诱导气流的捕集。(3)本文研发了光流PIV技术分析链式碰撞模式下诱导气流的流动过程。在整个倾倒过程的最大流量下,分析了诱导气流作用无量纲范围以及诱导气流的速度范围;此外,对比了液气温比Tl Tf=1.06的诱导气流的流动过程,发现链式碰撞过程在液气温比Tl Tf>1.58下诱导气流有着完全相反的流动过程,为捕集罩口开口方向提供了参考依据;实验验证了量纲分析中下降高度Z对速度的满足0.5幂次关系;使用气流涡旋强度识别法Q准则对气流涡进行识别,发现液柱碰撞点处产生气流涡且随着倾倒高度增加,气流Q值从0.02增加到0.1,本文认为液柱周围诱导气流不稳定原因是由于气流涡引起的。(4)本文研发了红外成像辅助平面技术并分析了链式碰撞模式下诱导气流的传热特性。发现了诱导气流温度场呈指数衰减;其次,在液气温比lT Tf>1.25后,诱导气流温度水平作用范围稳定不变,罐口距离诱导气流温度影响最远处的无量纲水平距离dh*=7,有助于排风罩排风位置的确定;拟合出链式碰撞模式下的对流换热实验准则关联式,发现其对流换热是混合对流换热过程,有助于估计对流换热进入室内的能量;通过能流矢量可视化整个链式液柱的气液对流换热过程,界定了纹影成像无法测试气流运动速度,其本质测量是不同质在流体中运动迁移的速度,称为质传播速度。针对非等温、不同质的气态污染物的控制,在使用控制风速法设计时,不应该单单考虑污染气流流速,而更应该考虑控制污染气流的质传播速度。(5)本文通过彩色纹影成像技术可视化不连续模式下诱导气流运动过程,发现不连续模式下诱导气流呈现出一定扩散角度和传播速度的非等温涡流场。研究了在不同液气温比下和倾倒流量下,不连续过程诱导气流传播速度和扩散范围角的变化过程。发现了倾倒流量增加将导致扩散范围角增加和传播速度增加,而液气温比对于不连续模式下传播速度和扩散范围没有显著影响。
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