超音速气液两相引射装置内混合流动机理与动力学特性研究

本项目以工质为天然气-水混合流体的超音速气液两相引射装置为研究对象，采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法对超音速气液两相混合流动机理和引射装置的动力学特性进行研究。建立超音速气液两相引射过程的数学模型，采用该模型对蒸汽凝结、气液两相混合过程、波系传播和激波等物理现象进行模拟；开展天然气超音速引射实验，测得引射装置内激波的位置和强度、及引射装置效率、压比和引射比等性能指标的变化。采用实验和数值模拟方法，系统地研究运行参数、速度系数和结构参数对引射装置内局部流动换热特性和装置整体性能指标的影响规律；查清超音速气液两相混合机理、两相流动与波系的作用机理，并研究各参数对超音速气液两相引射装置动力学特性的影响规律。本研究不仅可以丰富超音速气液两相引射理论，同时也可以为天然气超音速引射装置的开发和应用提供理论支持，具有十分重要的学术意义和实际应用价值。

本项目采用理论、数值模拟和实验相结合的方式，对超音速气液两相引射装置内的混合流动机理及其动力学特性展开系统研究。采用理论分析方法，对临界和非临界工况运行时引射装置内工作流体和引射流体在不同区域的流动规律开展研究，建立了引射装置全工况运行（临界运行和非临界运行）的理论模型，实现了不同工质、不同引射装置形状和结构尺寸的临界运行和非临界运行性能的准确预测。通过数值模拟方法，对工质为天然气-水的超音速引射装置，进行了结构参数（喉嘴距、混合腔倾角、混合腔长径比及扩压段倾角等）优化，并给出了引射装置的优化设计原则。结合数值模拟和实验研究结果，对不同结构参数和运行参数（工作流体压力、引射流体压力和背压）时引射装置的变工况性能进行研究，测得混合过程中壁面温度和压力的变化，分析了两流体的混合过程及引射装置内部的激波、压力场和速度场的变化规律；分别针对工作流体和引射流体带水，研究了水滴直径和流量对装置引射性能的影响机制，获得了引射装置气液两相运行时液相特征参数对引射装置性能的定量影响规律。针对天然气开采现状，优化设计了用于低压天然气开采的超音速引射装置，并进行了现场应用，结果表明该技术对低压天然气具有显著的增压开采效果。本研究不仅可以丰富超音速两相引射理论，同时也可以为超音速引射装置的优化设计和应用提供理论支持。. 本项目已发表学术论文17篇，其中SCI论文6篇，EI论文10篇，国际会议论文3篇（含邀请报告1篇）。申请发明专利3项，已授权1项；授权实用新型专利1项。培养博士生3名，其中1人已毕业；培养硕士生3名，其中1人已毕业。