脉动流作用下壁面冰层形成与剥离机理研究

Ice clogging caused by ice layer growth often occurs during the ice slurry production and the pipeline transportation of the hydrate, which affects the stability of the system significantly. It is of great importance to look for an effective solution for the ice clogging. The key purpose of the project is to investigate the characteristics and the synergistic relationships of formation and peeling-off of the ice layer on the wall surface under pulsating flow. Firstly, the heat and mass transfer model of ice layer formation and peeling-off under pulsating flow is established and the influences of the pulsating flow on the ice layer formation and peeling-off are revealed. In addition, the visual experimental platform will be constructed to study the influences of pulsating flow on ice layer of the cold surface. Further, the influences of the frequency and amplitude of pulsating flow on synergistic relationships between formation and peeling-off of the ice layer are analyzed and the synergistic law of the parameters under the non-ice layer formation is revealed. The whole research provides theoretical evidences for thickness control of the ice layer of the cold surface under the pulsating flow.

冰层生长导致的冰堵现象经常发生于冰浆制备、水合物管道输送等过程，其严重影响系统的稳定性。因此，研究冰层的形成、生长和剥离机理，从而探求有效的防冰堵方法具有重要的价值。本项目主要研究脉动流作用下壁面冰层形成与剥离特性及其协同关系。首先构建脉动流作用下冰层形成和剥离的传热传质过程理论模型，揭示脉动条件对冰层形成和剥离过程的影响规律。设计搭建脉动流作用下冷表面冰层形成和剥离过程的微观可视化平台，并对脉动流作用对冷表面冰层形成和剥离的影响规律进行实验研究，同时对不同脉动流频率、振幅等参数对冷表面冰层形成与剥离过程协同关系的影响进行分析，揭示“零”冰层条件的参数协同规律，为脉动流控制冷表面冰层厚度提供依据。

目前，城市用电急剧增长，部分地区供电出现赤字。面对电网的巨大压力，采用相变材料储能技术进行“削峰填谷”，转移电网压力，是有效的手段。冰浆是一种环保的相变储能材料，蓄冷密度高、流动性好，在蓄冷空调等领域得到了广泛的关注。对冰浆的研究主要集中在高效生产、高效输运、强化传热传质等方面。本研究将脉动流强化传热传质的思想引入强化相变浆体传热传质中，以纯水冰浆为研究对象，对水平直管内冰浆脉动流流动与换热特性进行实验和模拟研究，并对过冷壁面冰层生长和剥离做出分析和建模。本研究的主要内容和结论如下：. 1) 对冰浆脉动流的流动特性进行了模拟研究。冰浆脉动流存在“速度环形效应”，随脉动强度的增大变得显著；脉动流在近壁区速度梯度较大，故其对浓度分布的影响主要在近壁区；压降与流速之间存在相位差，随脉动频率的增大和含冰率的减小而增大；由于脉动流增大了流体湍流强度，使得由颗粒与壁面之间的碰撞造成的能量损失增大。. 2) 对定热流密度条件下冰浆脉动流的对流换热特性进行了模拟研究。脉动流工况下热边界层变薄、融化速率增大，使得时均换热系数大于稳定流换热系数，且随时均流速、速度相对振幅、脉动频率的增大而增大，换热系数可提高34.32%；壁面蓄热效应导致壁面温度的相滞后于流体中心温度，且在一个脉动周期内最佳换热效果出现在4π/5时刻。. 3) 对冰浆脉动流的流动与换热特性进行了实验研究，对结果进行拟合，得到了冰浆脉动流时均摩擦系数和对流换热准则关联式。. 4) 对过冷器表面的冰层生长情况进行了分析，将冰层生长分为三个阶段，分别给出了不同阶段冰层分离条件。并对第三阶段和第一阶段分别提出了冰层厚度不增长条件和零冰层条件。. 本研究给冰浆的流动换热研究提供了新思路，对拓展冰浆的工程应用具有重要指导意义。同时在冰浆脉动流流动特性的基础上，分析了过冷器表面的冰层分离过程，并给出了具体模型，结论对冰浆输运过程中防冰堵问题提供了参考。