论文摘要
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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摘要Abstract引言1 文献综述1.1 撞击流技术1.1.1 撞击流概述1.1.2 撞击流技术的应用1.2 超临界流体技术1.2.1 超临界流体技术概述1.2.2 超临界流体的物理化学性质1.2.3 超临界撞击流技术制备超细微粒1.3 超临界撞击流技术在微粒制备领域的研究进展1.3.1 RESS过程结合流化床技术1.3.2 RESS过程结合撞击流技术1.3.3 SAS过程结合撞击流技术1.3.4 SFED过程结合撞击流技术1.4 超临界撞击流流体动力学的研究进展1.4.1 RESS过程中喷嘴流体动力学研究1.4.2 超临界撞击流流体动力学研究1.5 本章小结2节流过程的模拟计算'>2 ScCO2节流过程的模拟计算2.1 基本控制方程2.2 湍流模型2.2.1 标准k-ε模型2.2.2 RNGk-ε模型2的物性数据'>2.3 ScCO2的物性数据2的PVT计算'>2.3.1 ScCO2的PVT计算2的密度计算'>2.3.2 ScCO2的密度计算2的导热系数计算'>2.3.3 ScCO2的导热系数计算2的粘度计算'>2.3.4 ScCO2的粘度计算2节流过程的数值模拟'>2.4 ScCO2节流过程的数值模拟2.4.1 模型的建立及基本假设2.4.2 网格的划分2.4.3 边界条件的设置2.4.4 SIMPLE算法2.4.5 模拟结果与讨论2.5 本章小结2节流过程的实验研究'>3 ScCO2节流过程的实验研究3.1 实验方案3.1.1 实验装置及流程3.1.2 实验设备及材料3.1.3 测试仪器3.1.4 实验方法及步骤3.2 结果与讨论2压力的影响因素分析'>3.2.1 CO2压力的影响因素分析3.2.2 节流阀开度和萃取釜压力对CO2压力的影响3.3 实验与模拟结果的对比分析2压力影响的对比'>3.3.1 节流阀开度对CO2压力影响的对比2压力影响的对比'>3.3.2 萃取釜压力对CO2压力影响的对比3.4 本章小结2撞击流流场的数值模拟'>4 CO2撞击流流场的数值模拟4.1 模型的建立4.1.1 模型的简化及假设4.1.2 网格的划分4.2 模型的求解4.2.1 耦合式求解器4.2.2 湍流模型4.2.3 边界条件的设置4.3 计算结果与讨论4.3.1 压力的分布4.3.2 马赫数的分布4.3.3 温度的分布4.3.4 密度的分布4.4 本章小结5 撞击流流场的PIV实验5.1 PIV系统简介5.2 实验方案5.2.1 实验装置与流程5.2.2 实验设备及材料5.2.3 实验条件及步骤5.3 结果与讨论5.3.1 射流速度沿水平方向的分布5.3.2 射流速度沿垂直方向的分布5.3.3 射流速度在撞击面上沿垂直方向的分布5.4 本章小结结论参考文献2密度、粘度和导热系数的UDF源程序'>附录A FLUENT软件中求解ScCO2密度、粘度和导热系数的UDF源程序2节流实验的部分数据'>附录B ScCO2节流实验的部分数据攻读硕士学位期间发表学术论文情况致谢
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