基于晶体颗粒动力学行为的盐析进程预测模型研究

盐析流动属于复杂液固两相流动现象，普遍存在于盐类溶液输送流程中，对输送设备性能及整个流程正常运行影响重大。本项目重点关注盐析流场中晶体颗粒的聚并、破碎等动力学行为，试图将此行为与宏观属性相关联，创建能较真实地描述盐析进程的预测模型。项目研究从具有探索性的基础性实验研究出发，以具有典型盐析特性的硫酸钠过饱和溶液为介质，采用相位多普勒粒子测速仪（PDPA）精确测量了不同运行工况下矩形管内的盐析两相流场；采用数码摄影技术及温度场监测手段，开展了管内不同外部条件下的盐析层增长基础试验，研究了盐析层增长速率、方式等及其与流动参数的内在关联关系。构建了考虑盐析晶体颗粒在主流区成核、生长、聚并、破碎等及在邻界区的沉积、移去等动力学行为的盐析进程物理模型。以欧拉双流体模型为基础，颗粒间的相间作用采用群体平衡方程（PBE）描述，其中关键的Ghadiri破碎核和湍流聚并核模型采用基础实验数据进行修正，以此构建主流区的数学模型；盐析层的增长速率以Kern-Seaton模型描述，采用质量增长速率表示了盐析层的增长，获得了沉积速率与表面系数、传质系数的数学表述。开展了管内台阶盐析流场的CFD-PBM耦合数值求解方法研究，呈现了台阶上、下游的盐析两相运动及宏观属性分布特征。通过对盐析层增长方式研究，发现邻界区盐析层的增长以颗粒沉积为主，认为盐析层增长速率等于沉积速率，最终确定了可较为真实地描述盐析进程的预测模型。采用粒子图像速度场仪（PIV）捕获了不同外部条件下泵内盐析颗粒流动的整场特性，获得了泵内液相和颗粒相的精确湍流运动特征及相间作用后的粒径、浓度等宏观属性分布规律；同时通过监测泵的外特性参数，掌握了泵性能随盐析进程的变化规律。对泵内盐析两相流动进行了数值计算，获得的盐析进程不同阶段泵内的两相流场特性与实验结果进行比较，验证了盐析进程预测模型在旋转流场中适用性、可靠性。项目研究更深刻地认识了盐析两相流动现象，丰富了液固多相流理论和方法。项目执行期间，共发表论文9篇，其中SCI、EI收录3篇；申请专利7项，其中授权4项；赴国外参加国际会议2次并作分组报告各1次，参加工程热物理年会并作分组报告3次；获江苏省科学技术二等奖、教育部科技进步二等奖各1项；出版教材1部；培养硕士研究生3名。