1、液化天然氣冷能利用過程中強化換熱技術(shù)及水平管內(nèi)氣液兩相流體激振機理的研究,司 洪 宇 專業(yè)： 港口、海岸及近海工程 導(dǎo)師： 梅寧教授 中國海洋大學(xué),主要研究內(nèi)容,緒 論,研究背景和意義,本文主要研究內(nèi)容,本文的創(chuàng)新點,研究方法和思路,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,研究背景,社會應(yīng)用背景,現(xiàn)有的技術(shù)研究存在的問題,國內(nèi)外已有的研究成果,LNG貿(mào)易量日益擴大，冷能利用研究亟待升溫；,LNG冷能合理利用原則目前還沒有系統(tǒng)的研究；其中有兩個關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究。,山東大學(xué)對單相流體激振強化換熱技術(shù)進行了研究，認為這種方法是一個不錯的強化換熱技術(shù)，該研究說明將氣液兩相流體激振用于強化換熱的技術(shù)是可行的。,研究意義,L

2、NG冷能的梯級利用方案的設(shè)計提供了系統(tǒng)的理論基礎(chǔ),對強化換熱技術(shù)的發(fā)展和研究，對氣液兩相流體不穩(wěn)定性的分析具有很重要的參考意義和理論價值。,為下一步的將氣液兩相流體誘導(dǎo)振動用來強化換熱的研究提供前期的理論支持。,緒 論,研究背景和意義,本文主要研究內(nèi)容,本文的創(chuàng)新點,研究方法和思路,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,研究方法,對LNG冷能利用過程 進行熱力學(xué)分析,分析LNG冷能合理 利用的熱力學(xué)原則。,建立氣液兩相流體激振的 振蕩流體力學(xué)模型，采用 參數(shù)多項式法進行求解。,建立邊界層重構(gòu)式強化換 熱模型，進行數(shù)值求解。,研究思路,分析冷能利用過程中的關(guān)鍵技術(shù)： 強化換熱、氣液兩相流體激振,分析壁面振動對換 熱過

3、程的強化效果,分析氣液兩相流體激振能 夠提供的振源強度及頻率,分析流體激振和壁面振 動耦合后的振動狀態(tài),將兩者結(jié)合起來，把氣液兩相流體激振引 起的壁面振動用于強化另一側(cè)的換熱效果,緒 論,研究背景和意義,本文主要研究內(nèi)容,本文的創(chuàng)新點,研究方法和思路,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,研究現(xiàn)狀,LNG冷能利用技術(shù)研究,強化換熱技術(shù)研究,管內(nèi)氣液兩相流體激振研究,研究現(xiàn)狀,LNG冷能利用的方式,發(fā) 電,空氣分離,制造干冰,海水淡化,低溫破碎,污染物處理,冷凍冷藏,其 它,低溫干燥,A、改善現(xiàn)有各種動力循環(huán)系統(tǒng) B、采用相對獨立的低溫動力循環(huán) 國外：日本（日本農(nóng)業(yè)大學(xué)、大阪煤氣公司等），印度 國內(nèi)：中國科技大學(xué) 中

4、國科學(xué)院,通過換熱逐級液化空氣，冷能回收率較高。國外：日本、英國、 國內(nèi)：上海交大、西安交大、中科大、中科院，浙大等,LNG冷能利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀,LNG冷能利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀,1、前述方案都是通過單一途徑對LNG冷能進行回收利用，火用損耗較大。 2、目前哈工大、華南理工、西南石油均有人提出多種回收方式綜合利用LNG冷能。,LNG冷能的梯級利用方案,研究現(xiàn)狀,LNG冷能利用技術(shù)研究,強化換熱技術(shù)研究,管內(nèi)氣液兩相流體激振研究,研究現(xiàn)狀,強化換熱技術(shù),電磁場作用,機械刮壁,噴射或吸出,粗糙表面法,射流沖擊,其 它,有源強化,無源強化,強化換熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀,擴展表面法,擾流裝置法,殼程強化結(jié)構(gòu),

5、傳熱表面振動,其 它,添加物法,有源強化換熱技術(shù),有源強化,各有源強 化技術(shù)都 是通過破 壞邊界層 達到強化 換熱的目 的。,研究現(xiàn)狀,LNG冷能利用技術(shù)研究,強化換熱技術(shù)研究,管內(nèi)氣液兩相流體激振研究,研究現(xiàn)狀,氣液兩相流體激振問題研究現(xiàn)狀,研究方法,激振類型,研究對象,所采用的 物理模型,目前實驗方面有大量的數(shù)據(jù)可供參考預(yù)報系統(tǒng)不穩(wěn)定性，數(shù)學(xué)模型的線性方法的研究比較多，非線性方法還在起步階段。,西安交大、上海交大、中科大等單位在研究。尤其是西安交大熱能工程系對兩相流的各方面進行了系統(tǒng)的研究,緒 論,研究背景和意義,本文主要研究內(nèi)容,本文的創(chuàng)新點,研究方法和思路,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,對LNG冷能

6、利用過程 進行熱力學(xué)分析,分析LNG冷能合理 利用的熱力學(xué)原則。,建立氣液兩相流體激振的 振蕩流體力學(xué)模型，采用 參數(shù)多項式法進行求解。,建立邊界層重構(gòu)式強化換 熱模型，進行數(shù)值求解。,本文主要研究內(nèi)容,分析冷能利用過程中的關(guān)鍵技術(shù)： 強化換熱、氣液兩相流體激振,分析壁面振動對換 熱過程的強化效果,分析氣液兩相流體激振能 夠提供的振源強度及頻率,分析流體激振和壁面振 動耦合后的振動狀態(tài),將兩者結(jié)合起來，把氣液兩相流體激振引 起的壁面振動用于強化另一側(cè)的換熱效果,緒 論,研究背景和意義,本文主要研究內(nèi)容,本文的創(chuàng)新點,研究方法和思路,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,本文的創(chuàng)新點,主要研究內(nèi)容,LNG冷能梯級利用

7、方案的理論基礎(chǔ)分析,火用分析,能級分析,梯級利用方案的優(yōu)化,LNG冷能 利用過程,本章結(jié)論,系統(tǒng)損失：,為環(huán)境溫度,LNG冷能傳遞過程的火用分析,LNG的總冷能火用,由此可知，環(huán)境溫度越高，總冷能、溫度、壓力值越高；不同的蒸發(fā)溫度下，LNG冷能的釋放速度是不同的；在定壓條件下，隨著天然氣溫度的升高，冷能的釋放速度降低；甲烷的摩爾分數(shù)不同，LNG的總冷能就不同；甲烷的摩爾分數(shù)越大，總冷能越大。,效率即有用功的利用率，它是用來評價一個系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)劣的準則。 因此，我們將LNG所具有的冷能和各回收利用方式的收益計算后，比較它們的效率，即可得出各利用方案的優(yōu)劣。,LNG冷能利用系統(tǒng)平衡：,LNG冷能梯級

8、利用方案的理論基礎(chǔ)分析,火用分析,能級分析,梯級利用方案的優(yōu)化,LNG冷能 利用過程,本章結(jié)論,LNG冷能利用的能級分析,LNG冷能利用的能級分析,LNG冷能利用的能級分析,LNG冷能梯級利用方案的理論基礎(chǔ)分析,火用分析,能級分析,梯級利用方案的優(yōu)化,LNG冷能 利用過程,本章結(jié)論,參考文獻中的梯級利用方案,LNG冷能梯級利用方案的優(yōu)化,LNG及各利用方案在不同溫度下的統(tǒng)計,LNG及各利用方案在不同溫度下的統(tǒng)計,LNG冷能梯級利用方案的優(yōu)化,由此可見，在滿足了前面分析的小溫差的條件后，并不是所有溫度段內(nèi)的利用率是相同的。這和溫度段內(nèi)冷能提供方的支付和利用方的收益的匹配有關(guān)。因此，在進行LNG冷

9、能利用時，從節(jié)能的角度，也需要充分考慮溫度段內(nèi)的冷熱流體“能”的匹配問題。 然后根據(jù)設(shè)備的復(fù)雜程度和投資成本比較，將-30以上的冷能分別用于低溫冷凍和改善發(fā)電，如下圖所示。,LNG冷能梯級利用方案的優(yōu)化,參考文獻內(nèi)的梯級利用流程,經(jīng)過本文優(yōu)化后的梯級利用流程,LNG冷能梯級利用方案的理論基礎(chǔ)分析,火用分析,能級分析,梯級利用方案的優(yōu)化,LNG冷能 利用過程,本章結(jié)論,LNG冷能梯級利用方案的熱力學(xué)原則,LNG冷能梯級利用方案的熱力學(xué)原則,1、無論是采取單一的利用方式還是梯級利用的方式，都是通過換熱器將冷量傳遞給利用方的。 2、LNG釋放冷能時存在強烈的氣液兩相流動過程。 3、現(xiàn)有的研究成果表明

10、振動可以起到強化換熱的目的。 4、如果將氣液兩相流體激振用于提高對面單相流體的換熱系數(shù)，將是一個很有應(yīng)用前景的換熱強化技術(shù)。 這其中涉及兩個關(guān)鍵技術(shù)，如上圖所示。 因此，接下來兩章本文將對有源強化技術(shù)的機理和氣液兩相流體激振的機理進行數(shù)值理論研究，以期為將來流體自激振動強化換熱器的開發(fā)提供理論支持。,主要研究內(nèi)容,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱技術(shù)的理論研究,數(shù)值解及分析,物理模型的提出及數(shù)學(xué)模型的建立,數(shù)值解的試驗及文獻結(jié)論驗證,強化換熱,本章結(jié)論,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱模型的提出,邊界層內(nèi)熱量將只能以導(dǎo)熱方式通過。,邊界層外側(cè)和主流區(qū)的對流熱交換,由此可見，當(dāng)流體一定，即導(dǎo)熱系數(shù)一定，換熱溫差

11、一定時，如果需要增強換熱效果，只能通過減小邊界層厚度。,邊界層內(nèi)的熱傳遞過程：,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱模型的提出,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱模型的模型描述：,模型描述：通過外力，如換熱壁面的振動，噴管的沖刷，或者毛刷的運動，邊界層完全脫離換熱壁面（即=0），之后邊界層重新生成，直至邊界層厚度達到最大值。邊界層脫離到厚度重新達到最大值為一個周期T。,模型數(shù)學(xué)的描述:,對控制體內(nèi)的流體作如下假設(shè)： （1）常物性，即比熱cp、動力粘性系數(shù)、流體導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)； （2）二維粘性流動，即0； （3）不可壓縮，即=const； （4）牛頓型流體。,有前面的分析可知，有源強化換熱技術(shù)模型的求解可分為以下兩個

12、步驟：（1）求解任意時間=時的對流換熱系數(shù)h=h()；（2）在不同周期T時，求解對流換熱系數(shù)在T內(nèi)的平均值,步驟（1）的求解通過我國國產(chǎn)有限元程序生成軟件FEPG生成的Fortran程序段結(jié)合自編程序段，應(yīng)用控制體積法進行求解。 步驟（2）是將步驟（1）數(shù)值結(jié)果整理后，在matlab 6.5中的進行積分平均求解。,首先將方程轉(zhuǎn)化為FEPG軟件所需的“弱形式”,由該弱形式，我們就可以編寫出適用于FEPG的有限元預(yù)言，具體可參考文獻【梁國平，有限元語言，北京：科學(xué)出版社，2009】，模型的求解采用有限體積法進行求解，對方程進行一階迎風(fēng)格式進行離散。,有限體積法：將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格點

13、周圍有一個互不重復(fù)的控制體積；將待解微分方程對每一個控制體積積分，從而得出一組離散方程。子域法加離散，是有限體積法的基本方法。 一階迎風(fēng)格式：一階迎風(fēng)格式考慮了流動方向的影響，在任何條件下都不會引起解的振蕩，永遠都可得到在物理上看起來合理的解，沒有中心差分中的很多限制。 具體可參考文獻計算流體動力學(xué)分析,計算流程如下：,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱技術(shù)的理論研究,物理模型的提出及數(shù)學(xué)模型的建立,數(shù)值解的試驗及文獻結(jié)論驗證,強化換熱,本章結(jié)論,數(shù)值解及分析,物理模型和幾何模型的參數(shù)：,數(shù)值結(jié)算結(jié)果及分析,圖3.5.1 穩(wěn)定流場下x=1.0m處邊界層厚度隨Re的變化,圖3.5.2 層流和湍流狀態(tài)下，x

14、=1.0m處邊界層厚度隨時間的變化,圖3.5.3 穩(wěn)定流動狀態(tài)下，邊界層厚度隨流動方向的變化,圖3.5.4 Re=2.8104時不同位置處努謝爾數(shù)Nu隨著時間的變化,圖3.5.5 邊界層重構(gòu)后，充分發(fā)展段（x=1.0m）努謝爾數(shù)隨著重構(gòu)周期的變化,圖3.5.6 邊界層重構(gòu)前后（重構(gòu)周期T=3s）充分發(fā)展段（x=1.0m）的努謝爾數(shù)Nu在不同雷諾數(shù)Re下的對比,數(shù)值分析結(jié)論,1,低雷諾數(shù)的層流狀態(tài)下，邊界層厚度從0發(fā)展到最大（1.53mm左右）需要的時間（大約5s）比高雷諾數(shù)湍流狀態(tài)下邊界層厚度發(fā)展到最大值需要的時間長。,層流狀態(tài)下邊界層厚度達到最大值時離入口距離也比湍流狀態(tài)下的長。,層流狀態(tài)下

15、，距離入口越近邊界層厚度越薄，相應(yīng)的努謝爾數(shù)Nu越大，距離入口越遠，邊界層厚度越厚，努謝爾數(shù)Nu越小，最大值和最小值相差一個數(shù)量級以上。,邊界層重構(gòu)能夠明顯影響換熱系數(shù)的大小，尤其是當(dāng)重構(gòu)周期越小時，換熱效果改善越明顯。,層流狀態(tài)下（Re=2.8104），重構(gòu)周期在很寬的一個域內(nèi)都對換熱系數(shù)有明顯的強化作用。湍流狀態(tài)下（Re=150104），重構(gòu)周期只有在一定域內(nèi)能夠強化換熱。,無論是層流狀態(tài)還是湍流狀態(tài)，邊界層重構(gòu)對換熱的都具有明顯的強化作用。強化效果在1600%之間。尤其是在低雷諾數(shù)Re層流狀態(tài)下的強化效果更明顯。,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱技術(shù)的理論研究,物理模型的提出及數(shù)學(xué)模型的建立,數(shù)

16、值解的試驗及文獻結(jié)論驗證,強化換熱,本章結(jié)論,數(shù)值解及分析,邊界層重構(gòu)式強化換熱數(shù)值模型的試驗驗證,表3.6.1 設(shè)備配置表,圖3.6.1 試驗設(shè)備示意圖,圖 3.6.2 充分發(fā)展段，重構(gòu)周期T=3s時，努謝爾數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re數(shù)的變化,圖3.6.3 層流狀態(tài)下（Re=2.8104），充分發(fā)展段，努謝爾數(shù)Nu隨重構(gòu)周期T的變化,圖3.6.4 湍流狀態(tài)下（Re=150104），充分發(fā)展段，努謝爾數(shù)Nu隨重構(gòu)周期T的變化,試驗驗證的結(jié)論,1,本文所使用的數(shù)值模型能夠?qū)λ⒈谑綋Q熱器的換熱機理較好地模擬。,實驗值普遍的比數(shù)值解大，這說明在試驗中，毛刷不僅僅是通過刷掉了邊界層，強化了換熱。分析認為毛刷在

17、前進的過程中，還促進了流體的流動，增強了局部擾動的頻率，也在一定程度上提高了換熱效果。,在很長的一個周期域內(nèi)，數(shù)值解能夠很好的和實驗值一致。,但試驗中同時發(fā)現(xiàn)通過毛刷這種方式破壞邊界層強化換熱的方法，刷壁周期存在一個閾值，在該閾值處，強化效果達到最佳。,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱技術(shù)的理論研究,物理模型的提出及數(shù)學(xué)模型的建立,強化換熱,數(shù)值解的試驗及文獻結(jié)論驗證,數(shù)值解及分析,本章結(jié)論,本章主要結(jié)論,主要研究內(nèi)容,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱技術(shù)的理論研究,水平管內(nèi)氣液兩相流體激振機理的研究,水平管內(nèi)氣液兩相流體激振機理的研究,振蕩流體力學(xué)原理及參數(shù)多項式法,兩相流振蕩流體力學(xué)模型的求解,氣液兩相

18、流激振,本章結(jié)論,物理模型的提出,數(shù)值計算結(jié)果的分析與討論,流體激振的振蕩流體力學(xué)原理,任何非定常流動參數(shù)都可以表示為：,其中振蕩量可以表示為：,由此我們得到了振蕩流體力學(xué)參數(shù)基本關(guān)系式,將求解與時間有關(guān)的非定常方程轉(zhuǎn)化為只是求解與時間無關(guān)的振幅方程。 具體可參考文獻【陳佐一流體激振1985】,參數(shù)多項式法,最簡單的二維流動的參數(shù)為例：泰勒展開,由此，通過建立流動的控制方程，組成方程組，將流動的各參數(shù)轉(zhuǎn)化為參數(shù)多項式的形式，則在x=const的截面上，不論參數(shù)多項式方法采取了多少個系數(shù)，都可以通過選擇足夠的內(nèi)點來建立求解系數(shù)的封閉方程組。從而完成將求解流動參數(shù)轉(zhuǎn)化為求解參數(shù)的多項式系數(shù)的任務(wù)。

19、具體可參考文獻【陳佐一 流體激振 1985】。,水平管內(nèi)氣液兩相流體激振機理的研究,振蕩流體力學(xué)原理及參數(shù)多項式法,兩相流振蕩流體力學(xué)模型的求解,氣液兩相 流激振,本章結(jié)論,物理模型的提出,數(shù)值計算結(jié)果的分析與討論,確定研究對象,模型假設(shè),圓柱坐標系下氣液兩相流的數(shù)學(xué)模型,水平管內(nèi)氣液兩相流體激振機理的研究,振蕩流體力學(xué)原理及參數(shù)多項式法,兩相流振蕩流體力學(xué)模型的求解,氣液兩相 流激振,本章結(jié)論,物理模型的提出,數(shù)值計算結(jié)果的分析與討論,氣液兩相流振蕩流體力學(xué)基本方程,穩(wěn)定流場定常參數(shù)求解,求解流程,振幅參數(shù)的求解,其中的穩(wěn)態(tài)量在穩(wěn)態(tài)流場中已經(jīng)求出，非穩(wěn)態(tài)方程中只需要求解8個振幅量，依然采取類

20、如穩(wěn)態(tài)量求解的參數(shù)多項式法，可以求出各振幅量。,水平管內(nèi)氣液兩相流體激振機理的研究,振蕩流體力學(xué)原理及參數(shù)多項式法,兩相流振蕩流體力學(xué)模型的求解,氣液兩相 流激振,本章結(jié)論,物理模型的提出,數(shù)值計算結(jié)果的分析與討論,數(shù)值結(jié)果分析,圖 4.5.1 進出口壓差隨流量的分布,圖4.5.2 直管中含氣率沿管程的變化,圖4.5.2可見，當(dāng)流量越小時，含氣率的值增長越快，蒸發(fā)率越高，但含氣率最終也無法達到1.0，說明在管中一直存在液相流體。含氣率的增長梯度越來越小，最后逐漸達到最大值。 原因：這是由于氣相的增加，造成平均換熱系數(shù)降低而造成的。,直管,圖 4.5.3 直管中氣相速度沿管程的變化,圖4.5.3

21、顯示的是氣相速度沿管程的分布情況。 氣相速度和入口速度直接相關(guān)，雖然在低速時汽化率較高，但由于入口速度較小，單位時間內(nèi)進入管道的流體質(zhì)量有限，即使汽化較好，但平均速度并不高，反而是氣化率不高的高入口速度的條件下，出口速度和平均速度較大。,直管,圖 4.5.4 直管中壓力沿管程的變化,直管,圖4.5.5 漸擴管中含氣率沿管程的變化,漸擴管,圖4.5.6 漸擴管中氣相速度沿管程的變化,漸擴管,圖 4.5.7 漸擴管中壓力沿管程的變化,漸擴管,圖4.5.8 漸縮管中含氣率沿管程的變化,漸縮管,漸縮管,圖4.5.9 漸縮管中氣相速度沿管程的變化,圖4.5.10 漸縮管中壓力沿管程的變化,漸縮管,圖 4

22、.5.11 直管中進出口質(zhì)量流量、氣相密度、壓力的波動比較,直管,漸擴管,圖4.5.12 漸擴管中進出口質(zhì)量流量、氣相密度、壓力的波動比較,漸縮管,圖4.5.13 漸縮管中進出口質(zhì)量流量、氣相密度、壓力的波動比較,圖4.5.14出口壓力的振幅隨質(zhì)量流量的變化,4.5.15 氣相密度振幅隨質(zhì)量流量的變化,水平管內(nèi)氣液兩相流體激振機理的研究,振蕩流體力學(xué)原理及參數(shù)多項式法,兩相流振蕩流體力學(xué)模型的求解,氣液兩相 流激振,本章結(jié)論,物理模型的提出,數(shù)值計算結(jié)果的分析與討論,1,截面漸擴管更有利流體的更快輸送和壓力的傳播，而截面漸縮管容易造成流體輸送困難和壓力傳播的阻礙。,2,管程方向壓力分布和流體狀

23、態(tài)無關(guān)。,3,漸擴管內(nèi)的流量的波動從入口到出口逐漸減弱，壓力波動和氣相密度波動的均逐漸增強。漸縮管內(nèi)的流量波動從入口到出口逐漸，而壓力波動和氣相密度波動反而減弱。,4,壓力波動的振幅隨著流量的增大而減??；氣相密度波動的振幅也是隨著流量的增大而減小。,5,水平管內(nèi)氣液兩相激振發(fā)生和性能曲線的位置無關(guān)。,截面漸擴管有利于降低流體流動引起的進出口壓差。在工程中，這可以用來避免由于流體通過造成壓差過大，而使得進出口受力不平衡造成的損壞。,本章結(jié)論,截面漸擴管在降低進出口壓差的同時，出口的壓力波動和密度波動增強。對于截面漸縮管，它有利于減弱流動過程中壓力波和密度波的傳播，同時它又增大了進出口的壓差。,主要研究內(nèi)容,周期性重構(gòu)邊界層強化換熱技術(shù)的理論研究,水平管內(nèi)氣液兩相流體激振機理的研究,第一部分通過分析理論對LNG冷能利用進行了分析，提出了優(yōu)化LNG冷能梯級利用需要遵循的原則：LNG和回收冷能的“熱”流體間的溫差應(yīng)該保持在盡可能小的范圍內(nèi)（減小損失）；在LNG冷能回收的具體流程中，能量的大小在冷量的“供求”雙向流程中需要合理匹配（保證效率）；整體流程要簡潔可行，減少冷量的中間損耗環(huán)節(jié)；考慮投入產(chǎn)出比；和周圍自然條件和社會需要相符，等等。,第二部分邊界層重構(gòu)式的換熱模型對有源強化技術(shù)進行了數(shù)值模擬，從而證明了通