超临界撞击流流场的实验研究与数值模拟

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超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide,简写为ScCO2)撞击流技术是近年来提出的一种新的超细微粒制备工艺,其优点在于:将超临界流体(Supercritical Fluid,简写为SCF)技术和撞击流技术互相结合,可以很好地强化传热和传质过程。目前国内外对ScCO2撞击流技术的研究尚处于工艺可行性的初步探索阶段,尤其是对超临界撞击流的流体力学行为尚待深入研究。本文通过实验和数值模拟的手段,研究应用ScCO2撞击流技术制备微粒过程的流体力学问题,主要研究内容和结果如下:(1)对ScCO2节流过程进行了数值模拟,考察了节流阀入口压力和节流阀开度对节流过程的影响,揭示了该过程中CO2压力、温度和密度的变化规律。结果表明:CO2流经节流阀的过程中,沿轴线方向压力、温度和密度都会急剧下降。(2)对ScCO2节流过程进行了正交实验,测试了节流阀开度、萃取釜压力和温度对节流后C02的影响,确定了撞击流流体力学行为的主要影响因素。结果表明:节流阀开度、萃取釜压力和萃取釜温度对节流后CO2压力影响的程度依次降低。(3)对撞击流流场进行了数值模拟,考察了喷嘴入口压力和撞击距离对撞击流流场的影响,得出了流场中压力、马赫数、温度和密度的分布状况。计算得出:在喷嘴出口处和撞击区内,CO2的压力、马赫数、温度和密度有明显差别。出口处的压力、温度和密度急剧降低,而马赫数快速增大;撞击区内的CO2压力、密度和温度相对较高,而马赫数相对较低。(4)利用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,简写为PIV)技术对撞击流流场进行了实验研究和定量分析,考察了流量和撞击距离对撞击流流场的影响,测得了流场的速度矢量图,确定了撞击的区域和范围。测试结果表明:射流的轴向速度从喷嘴出口到撞击面经历了骤增、骤减、趋于平缓和再次骤减四个阶段,最终沿径向离开撞击区。当气体流量从0.2 m3/h增加到0.8 m3/h时,撞击区的无因次宽度x/X从0.25增加到了0.5。
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