基于SPH-FVM方法的多液滴碰撞与传热传质耦合的海水撞击流动循环冷却系统研究

Inter-impingement atomization cooling system refines the cooling seawater by means of breakup theory of droplets collision. Eliminating the fill makes the tower fully empty which is of far-reaching significance in cooling circulating seawater with high temperature and high turbidity and it can help protect the marine environment. Considering the atomization and cooling process in the seawater circulation cooling system as the object of the research, the project will study the droplet behavior characteristics and heat and mass transfer mechanism. Specific investigation includes: 1) An improved partial Riemann SPH model by increasing the artificial stress items to conduct the droplet collision simulation and experimental study will be established; 2) Droplet collision behavior and atomization results with multiple nozzles will be calculated and analyzed theoretically; 3) Coupled two-phase model based on SPH-FVM method to consider droplets collision, impinging flow characteristics and heat and mass transfer will be established, which provides a thought for numerical calculation of the discrete phase system; 4) The gas phase flow mechanism will be explored by means of theoretical analysis, numerical simulation and experiment results; 5) The influence of coupled multi-factor including the water impinging way, the nozzle layout programs, water quality and working conditions on the water atomization and cooling performance will be revealed by means of theoretically analyzing the numerical simulation and experimental results, and the new coupled model of heat and mass transfer with droplet collision theory will be validated and improved. The project will provide a theoretical basis for seawater secondary atomization cooling.

撞击流雾化(IIA)海水循环冷却技术利用液滴互击破碎原理对海水细化冷却，因去除了填料可避免水质和温度引起的填料性能下降和破坏，对处理高温、高浊度、易结垢海水，解决淡水资源危机、维护海洋环境具有重要意义。本项目以海水IIA冷却过程作为研究对象，对撞击流雾化机理及传热传质规律进行基础科学研究。具体内容包括：1)通过增加人工应力项等方法建立改进的不完全黎曼解法的SPH模型，对海水撞击流中的液滴碰撞进行数值研究；2)揭示撞击流雾化冷却过程的多液滴碰撞行为规律和综合雾化机理；3)基于SPH-FVM方法建立系统内多液滴碰撞、撞击流动及传热传质耦合模型，为两相流数值模拟提供一种思路；4)通过对数值模拟和实验结果进行分析，探索海水撞击流的气相流动机理；5)揭示复杂多因素对海水液滴碰撞雾化、撞击流动及传热传质耦合过程的影响规律，验证并完善IIA气水两相传热传质耦合模型，为IIA海水循环冷却利用提供理论基础。

撞击流雾化(IIA)海水循环冷却技术对处理高温、高浊度、易结垢海水，解决淡水资源危机、维护海洋环境具有重要意义。本项目以海水IIA冷却过程作为研究对象，对撞击流雾化机理及传热传质规律进行基础科学研究。1）理论分析了喷头喷出水滴的尺寸分布规律和空间分布规律，针对各修正项进行实施。完成了液滴碰撞的SPH模型的改进，编制相关程序，并通过文献中的结果，验证了改进模型的可行性。解决了传统模型中海水液滴碰撞时难以精确保持流体界面的问题，为处理碰撞雾化等复杂界面问题提供了理论依据； 2）通过建立的改进SPH液滴碰撞模型，并结合基础实验，分析了撞击流式雾化的液滴行为规律，阐明了综合雾化效果对传热传质过程的影响机理，获得了撞击流碰撞后液滴的尺寸及分布规律，撞击流液滴碰撞前后的运动规律；3）对撞击流雾化方式采用数值模拟和实验测量方法，研究了撞击流内速度场、湍流特性及混合效果。获得了撞击流碰撞后剪切应力、湍流尺度及湍动能分布规律，以及不同条件下撞击流混合性能；研究了撞击流的涡结构，撞击流中驻点的稳定性及偏移规律和影响撞击面偏移的因素；雷诺数和普朗特数对流场和温度场结构的影响；非均匀和均匀喷射条件下撞击流的流动特性、传热特性的变化规律。4）建立了撞击流动二次雾化条件下的SPH-FVM耦合数学模型，并进行数值模拟验证。揭示了海水水质、物性参数、工况对其传热传质过程的影响规律。阐明了水气两相热湿交换过程中热力参数和㶲参数的精确计算方法。对冷却系统编制了数值求解程序，并结合实验数据验证了计算模型的可靠性。分析了不同盐度工况下塔内参数的分布情况，研究了标准盐度工况及高盐度工况下多因素变化对塔热湿交换特性的影响规律。