《管內汽-液-固三相流動對管子振動行為的影響》是依託天津大學，由劉明言擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：管內汽-液-固三相流動對管子振動行為的影響
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉明言
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
汽液固三相流化床蒸發技術將顆粒流態化和沸騰兩相流相結合，可線上防止蒸發器結垢同時強化沸騰換熱，是實現過程工業節能減排的關鍵技術。將該技術引入到由脆性管材如大型濕法磷酸蒸發濃縮用石墨管加熱器等時，從安全運行等角度考慮，需要了解管內三相流動時管子的振動規律。但是目前國內外尚無這方面的知識。現有振動研究考慮管內流體對管子振動行為的影響時僅顧及管內流體質量對管子固有頻率等的影響，且管內流動多為單或兩相流。本項目擬研究管內三相不穩定流動對管子振動行為的影響。建立管內多相流振動實驗台，獲取不同條件下管子的振動位移、速度和加速度等動態演化數據，通過對數據的線性和非線性分析，發現管子的振動規律，分析引起振動的原因和機理，關聯振動參數、壓降和傳熱係數間的關係，建立預測管子振動行為的數據驅動隱式數學模型和基於Hamilton原理等的顯示數學模型。為三相流化床蒸發濃縮器的設計、最佳化操作和安全運行提供理論指導。
結題摘要
汽-液-固三相循環流化床蒸發器具有線上防垢和強化傳熱的特點。蒸發器的加熱室是一個管殼式換熱器，其工藝設計等已經比較成熟，但管程流體誘導產生的振動問題隨著裝置的大型化，流動的複雜化、操作條件的極端化變得愈加嚴重。尤其在將其推廣套用於針對強腐蝕性介質的石墨蒸發器時，石墨屬於脆性材質，對於高壓、強烈振動衝擊和頻繁水錘現象的運行環境，需要謹慎對待。但是，關於管內三相流動對石墨管振動行為影響的研究國內外尚屬空白。 本項目建立了單根石墨管汽液固三相流外部自然循環流化床蒸發器以及振動參數等動態信號自動測試和採集系統。獲取了不同實驗條件下石墨管的振動位移、速度和加速度動態演化數據。通過線性時頻域和非線性混沌分析，總結了管子的振動原因和機理：振動行為由宏尺度低頻（循環流動和設備）、介尺度中頻（汽泡）和微尺度高頻（顆粒）三個尺度的振動行為組成。發現了管子在不同實驗條件下的振動規律：振動加速度、速度和位移信號的靈敏度逐漸降低；振動加速度、速度和位移信號的標準偏差隨加熱蒸汽壓力和平均粒徑增加而增加，但三種信號的增加幅度逐漸減小；增加固含率，介尺度高頻信號增加顯著。 考察了流化床蒸發器的振動、壓降、傳熱等規律及其關聯。隨著加熱蒸汽壓力的增加，三相流循環流量上升，壓降增加，傳熱係數增加。增加蒸汽壓力和固含率，壁面磨損速率增大；相同蒸汽壓力和固含率下，較小粒徑顆粒對壁面的磨損更為嚴重。 基於Hamilton原理建立了汽-液-固沸騰自然循環流化床加熱管振動控制方程，石墨管兩端固支。在模型推導過程中，套用混相流模型處理多相流體的物理參數。通過數值計算得出如下結論：管道的臨界流速為0.85 m/s，當流速在0.85-1.14 m/s之間時管道處於分叉行為。當流速超過1.14 m/s，管道會發生顫振。管長對管的振動影響最大。而管子的固有頻率會隨著汽含率的增加而增加，而隨固含率的增加而減小。 為建立預測管子振動行為的數據驅動模型，對振動加速度信號進行關聯維分析。結果表明，汽-液兩相和汽-液-固三相流的壓降信號都存在多尺度現象。振動信號只有進行小波分解後，才可清楚看到多尺度信號。增加蒸汽壓力，各尺度下關聯維數D2(1)，D2(2)，D2(3)均增大。增加固含率，D2(2)，D2(3)降低，D2(1)增大。 通過本項目研究，為三相流化床蒸發器濃縮器的設計、最佳化操作和安全運行提供理論指導。
