甲烷物性对传热性能与流动阻力的影响规律的研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

甲烷的物理性质是在标准状态下为气体、无色、无味、比空气轻、不溶于水、无毒、凝点、导电性、导热性等,本研究主要是针对液态,气态以及超临界状态下的甲烷在各个状态下的物理性质对于传热性能的影响以及流动速率的影响,研究不同状态下的物性如物体状态,溶解度等对导热性和黏度的影响规律;通过FLUENT软件数值模拟,不断调整甲烷物性参数,模拟流体力学及热力学的性能,对液态、气态以及超临界状态之间进行比较和预测,找到一种最佳状态,让在最佳状态下的甲烷的传热性能以及流动性能够达到最优。

对甲烷热力学方面的研究一方面能够从宏观系统的热现象和其他相关系统的转化出发,解决部分化学反应当中转化率的问题,在流体力学研究上,减小液体/气体流动阻力,增加输送效率,一方面优化对流传热,另一方面增强动力系统。

天然气是当今社会上重要的燃料,火箭,飞机,汽车包括家用厨房都有天然气的应用,因为它便于储存,清洁同时燃烧效率高,所以成为了现代最受青睐的能源之一,甲烷是天然气的主要成分,天然气储存必须经过液化过程,在超临界压力下进行冷却,截留降压成为液体,超临界甲烷的冷却换热过程是天然气储存的核心过程,本研究致力于高效的提高燃气管道或者发动机内的甲烷传热流动效率,对甲烷各类物性对传热性能以及流动阻力影响进行研究。

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2. 国内外研究现状分析

国内研究现状: 对甲烷物性对于传热和流动方面的影响的研究起步于20世纪,研究多以超临界压力条件下为主,在各种变量情况下进行数值模拟研究流动或者传热性质,大多数研究集中在管道内超临界压力情况下,对甲烷的传热或者流动进行单方面的数值模拟和研究,主要运用CFD软件FLUENT和MATLAB导入材料模型或是用户编程功能进行数值模拟。

(1)对竖直圆管通道内的甲烷研究郭占魁[1]研究的是竖直加热圆管内超临界压力下甲烷的传热特性,主要研究浮升力对换热的影响,通过运用数值模拟软件FLUENT导入制冷物性软件REFPROP中超临界甲烷的材料模型,在准确反应超临界甲烷的热力性能和传输物性变化的情况下采用数值模拟的方法,并发现了换热系数和压力的关系以及最佳换热温差和传热恶化产生原理。

杜忠选和林文胜[2]则是专门对超临界甲烷在竖直圆管内的冷却传热及各种因素对传热性能的影响作为研究对象,通过应用Lam-Bremhorst低雷诺数湍流模型的方法对冷却换热进行数值模拟并发现质量流量,热通量,流动方向以及密度变化对冷却换热速率的影响关系,并发现此状态下的甲烷冷却传热系数随质量流量的增加而增加,气体区影响较小,液体区影响较大。

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容:(1)甲烷的各类物性在温度压力下的变化规律以及相关性(2)液态、气态、超临界状态下甲烷传热率以及流动阻力的变化规律(3)在探寻各工况与物理性质状态下的甲烷传热率及流动阻力的最优组合研究计划:第1~2周: 准备工作(查找文献,确定研究方向和计划,学习软件)第3~4周: 确定研究方案(确定编程软件及模拟对象,数值模拟当中的控制变量,每个环节的周期)第5~6周:数学建模并模拟(选定数学模型,确定试验方法)第7~13周: 数值模拟和实验结果分析研究并撰写论文初稿第14~16周:毕业论文审核并修改,完成论文

4. 研究创新点

1. 研究甲烷传热与流动,寻找其物性与传热和流动共同的规律2. 选取液态、气态和超临界状态进行数值模拟进行对比两种状态下甲烷物性的不同及造成的规律影响

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