直接接触换热过程中气-液两相流的气泡分布特性研究

论文摘要

回收和利用冶金等工业过程中的余热资源有助于减少煤炭等一次能源消耗和降低二氧化碳排放,而有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,简称为ORC）就可以回收冶金过程400℃以下的中低温余热进行发电。在ORC系统回收余热过程中,直接接触换热器因为较高的传热效率而备受关注,而此类换热器内部的冷热流体混合特性与由直接接触产生的传热特性存在密切关联。在这项工作中,开展了ORC直接接触换热过程的试验研究,提出了四类基于计算同调群和均匀设计理论的图像分析技术用于准确测量ORC直接接触换热器中特定情况下的流体混合状态。（1）在基于二值气泡流动图像分析气泡流动拓扑结构方面,虽然Betti数法成功实现了两相流或多相流混合均匀性和伪均匀性的定量分析,但是Betti数的计算依赖于图像分割的处理,因此提出了一种基于图像熵理论选择最佳图像阈值化算法的新思路,以实现Betti数的准确计算。随后在此基础之上,进一步分析气泡流动型态的复杂性演化规律和气泡群的局部区域特性。即:一方面,提出了新的目标函数作为ORC直接接触换热过程中气泡流动型态的复杂性演化特征;另一方面,首次引入Repley’s K函数研究气泡群混合瞬态的形状特征参数。（2）在二维空间内气泡未完全粘连的情况下,气泡群处于聚集状态（或称二维空间内局部均匀）与分散状态（或称二维空间内全局均匀）的两类图像可能具有相等的Betti数,这将导致该特殊情形下Betti数法无法对气泡群的混合均匀性实现有效判断。针对此问题,通过引入均匀设计理论中的L2-星偏差,提出了二维方形或矩形和圆形观测区域内表征气泡群混合均匀性的均匀系数（英文名称为Uniformity Coefficient,简称为UC）方法,以准确识别和比较气泡群流动过程中不同混合瞬态的均匀性。（3）为了进一步精准提取ORC直接接触换热器中气-液两相流混合过程的时空特征,将基于L2-星偏差的UC方法扩展至基于改进型星偏差（即中心化偏差和可卷偏差）的UC方法。新的UC方法以坐标形式准确定位气泡空间位置量化气泡群混合均匀性,因此新UC的计算不再依赖于局部偏差函数的选取和处理。另外,通过将气泡群的图像数据转化为数字矩阵,进一步提出利用中心化偏差和可卷定义和表征混合物的均匀性,以在三维空间视角下精准提取多相混合体系的时空均匀性特征。（4）针对气泡群的灰度级图像存在气泡难以明显辨识的问题,引入高等统计分析技术分析和处理记录气泡群流动型态的灰度级图像数据。即:一方面,引入两类假设检验工具（即Kolmogorov-Smirnov检验和χ2检验）,用以判断每对气泡群流动图像是否具有相同或接近的灰度分布;另一方面,引入多元线性回归模型,用以判断气泡群图像采集过程中的光照是否均匀分布;随后,使用非线性方法来确定固定光源的方向和位置,并基于灰度级气泡群流动图像,提出一种新的混合指标用于揭示气泡群流动型态的演变规律。本论文提出了四类基于气泡群流动图像的分析方法,可用于表征和分析ORC直接接触换热器内部气-液两相流混合过程中的流体拓扑结构和气泡群混合均匀性。该研究不仅对于ORC直接接触换热器内部气-液两相流混合过程的参数测试和流型识别具有重要意义,而且还能为提高ORC直接接触换热器的传热性能提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题来源与研究背景
•     1.1.1 选题来源
•     1.1.2 研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 余热利用与ORC
•     1.2.2 ORC系统中的直接接触换热器
•     1.2.3 多相流体混合的均匀性表征
•   1.3 研究意义及内容
•     1.3.1 研究意义
•     1.3.2 研究内容
•     1.3.3 创新点
• 第二章 ORC直接接触换热试验与建模
•   2.1 ORC原理介绍
•   2.2 试验装置与设计
•     2.2.1 材料与仪器
•     2.2.2 试验设计
•   2.3 试验方法
•     2.3.1 DCHE模型的性能评价
•     2.3.2 直接接触式强化换热效果分析
•     2.3.3 ORC直接接触蒸发器的传热性能建模
•   2.4 气泡的产生与数字图像处理
•     2.4.1 分散相液滴的汽化过程
•     2.4.2 气-液两相流的图像分析
•     2.4.3 数据获取与数字图像处理技术
•   2.5 本章小结
• 第三章 DCHE内气-液两相流中气泡群的拓扑结构和形状特征
•   3.1 气泡流型图像阈值化对Betti数测量的影响
•     3.1.1 计算同调群与Betti数
•     3.1.2 气泡群图像压缩与EPP
•     3.1.3 局部含气率验证和Betti数值评价
•   3.2 基于Betti数的气泡流型复杂性演化测度模型
•     3.2.1 气泡群RGB图像压缩与新目标函数
•     3.2.2 阈值、操作变量对混合效果的影响
•   3.3 气泡形状特征参数的量化方法
•     3.3.1 气泡群的局部区域特性
•     3.3.2 Ripley’s K函数及其应用分析
•   3.4 气泡形状特征参数与传热性能的耦合分析
•     3.4.1 气泡形状特征参数的演化
•     3.4.2 流动与传热的协同关系分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 基于偏差测度DCHE内气泡分布均匀性与混合效率
•   4.1 矩形观测区域内的气泡均匀性度量
•     4.1.1 Betti数法分析
•     4.1.2 新提出的UC法
•   4.2 气泡混合时空特征量化
•     4.2.1 混合过程演化特征的量化
•     4.2.2 气泡局部与全局均匀性的辨识
•   4.3 圆形测量区域内的气泡均匀性
•   4.4 不同观测区域下的气泡群均匀性度量
•     4.4.1 模拟数据与气泡均匀性识别
•     4.4.3 敏感性分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 基于二维质心的DCHE内气泡时空均匀性测量方法
•   5.1 基于气泡坐标位置量化气泡时空均匀性
• 2-星偏差（CD和 WD）'>    5.1.1 改进型L₂-星偏差（CD和 WD）
•     5.1.2 基于改进型偏差的均匀性系数
•   5.2 直接接触式气-液换热过程气泡时空均匀性量化
•     5.2.1 试验案例的视频图像序列
•     5.2.2 性质验证与时间复杂度
•     5.2.3 数值仿真与试验实例
•   5.3 基于坐标位置的混合物三维均匀性度量
•     5.3.1 改进型L2-星偏差与模拟验证
•     5.3.2 流体混合的图像分析
•   5.4 多组份混合物的三维均匀性测度
•     5.4.1 CD（t）和WD（t）非线性曲线拟合
•     5.4.2 操作条件对模型的影响
•   5.5 本章小结
• 第六章 基于假设检验与图像统计分布特性的气泡演化评价
•   6.1 假设检验与图像分析结合用于气泡演变量化
•     6.1.1 统计假设检验工具
•     6.1.2 试验结果与讨论
•   6.2 基于统计检验和图像分析来量化气泡演化过程
•     6.2.1 理论与方法
•     6.2.2 试验结果与讨论
•   6.3 本章小结
• 第七章 研究结论与展望
•   7.1 研究结论
•   7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
•   附录A.攻读博士学位期间发表的主要成果
•   附录B.攻读博士学位期间参与的科研活动
•   附录C.攻读博士学位期间发表的发明/实用新型专利
•   附录D.攻读博士学位期间所获的主要科技奖励
•   附录E.攻读博士学位期间主持或参与的基金项目
•   附录F.媒体报道

文章来源

类型: 博士论文

作者: 肖清泰

导师: 王华

关键词: 直接接触换热,均匀性度量,统计图像分析,有机朗肯循环,流型

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,电力工业

单位: 昆明理工大学

基金: 国家自然科学基金项目“低温压驱动下直接接触沸腾换热气泡群演变过程的场均匀性精确表征及其强化传热机理”(编号:51666006),国家自然科学基金项目“有机工质-导热油ORC直接接触式蒸汽发生器湍流破碎与强化换热协同耦合机制研究”(编号:51706195)

分类号: TM617;O359

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.001921

总页数: 172

文件大小: 8512K

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