过热蒸汽超音速非均匀流场中的颗粒加速特性研究

It is one of the most effective ways to achieve resource recovery by utilizing low-grade superheated steam(pressure ≥ 0.3MPa,temperature ≥ 230 °C) made of industrial waste heat as power to supperfine grinding solid waste such as fly ash, slag in low cost and large scale. The design and optimization of the supersonic nozzle crush cavity is the core technology of superfine grinding. Currently, the lack is an in-depth study on phase transition mechanism of superheated steam in the supersonic nozzle cavity, particle acceleration model of non-uniform flow field and law of particle distribution. Based on the testing technology of flow field, theoretical analysis and numerical simulation, this subject aims to use the existing test apparatus with a variety of different structure of crushing cavity to study the phase transition flow field of the superheated steam supersonic nozzle and the particles acceleration characteristics in a supersonic non-uniform flow field, establish particle acceleration dynamic models, reveal law of particle distribution in jet stream acceleration space, make a qualitative and quantitative analysis on the probability of particle size collision and the crushing effect, thus provide a theoretical basis for the optimization design of the nozzle crush cavity structure and the working parameters. The research on the phase transition mechanism of superheated steam in supersonic non-uniform flow field and particle acceleration characteristics can provide a theoretical basis for the use of industrial waste heat to achieve efficient resource of industrial solid wastes .

利用工业余热制备的低品位过热蒸汽（压力≥0.3MPa、温度≥230℃）作为气流粉碎动力，对粉煤灰、钢渣等工业废渣进行低成本、规模化的超细加工，是实现其资源化最有效的途径之一。进行超细粉碎的超音速喷嘴粉碎腔结构设计与优化是其核心技术，目前尚缺乏对超音速喷嘴粉碎腔中过热蒸汽相变的影响机理、非均匀流场颗粒加速模型以及颗粒空间分布规律的深入研究。本课题以现有的试验装置为基础并配置多种不同结构的粉碎腔，采取流场测试、理论分析和数值模拟方法研究过热蒸汽超音速相变流场及颗粒在超音速非均匀流场中的加速特性，建立颗粒加速动力学模型，揭示颗粒群在喷射气流加速区的空间分布规律，对颗粒群碰撞机率与粉碎效果进行定性与定量分析，为喷嘴粉碎腔的结构与工况参数的优化设计提供理论依据。基于过热蒸汽超音速非均匀流场相变及其影响机理及颗粒加速特性研究，可为利用工业余热实现等工业固体废弃物的高质化利用奠定理论基础。

利用低品位过热蒸汽对粉煤灰、钢渣等大宗固废进行低成本、规模化超细加工，是实现大宗固废的资源化利用的关键技术。项目组以现有的蒸汽动能磨装置为实验平台，采取理论分析、流场测试和数值模拟方法，围绕过热蒸汽超音速流场及相变影响机理、高速非均匀流场的颗粒加速特性和颗粒群在喷射气流加速区的空间分布规律三个方面内容开展研究，结果表明：水蒸气在喷管快速膨胀过程中可能发生凝结，凝结释放的潜热被混合气体吸收，气流的状态参数发生变化，如静温、静压增大，马赫数减小等。通过对伴随凝结过程的高速流动过程进行解耦，提出两个虚拟界面即等熵膨胀界面和凝结界面，建立了水蒸气凝结影响理论模型并进行参数分析，最后为快速评估超音速或者高超音速喷管水蒸气凝结影响提供了一条新的途径。针对粉碎腔中凝结后的液滴再蒸发的问题，采用兼顾非平衡相变模型和高温气体效应的数值方法，探讨了液滴蒸发对斜激波下游区域流动参数的影响，获得了带液滴来流蒸发后的流场详细信息，并分析了不同激波强度对液滴蒸发弛豫过程的影响，获得了液滴蒸发对斜劈表面参数的影响。根据加速颗粒大小不同，对不同粒径颗粒群在蒸汽动能磨内被蒸汽气流加速的特性作了研究，讨论了进料粒径对颗粒加速速度和相对体积分数的影响规律，5μm的颗粒加速达到的速度最大，且相对体积分数越大，45 μm颗粒速度最小，相对体积分数也最小。并且越靠近射流轴心，颗粒速度越大，相对体积分数越小；越靠近射流外缘，颗粒速度越小，相对体积分数越大。5~45 μm粒径颗粒群在射流扩散角10°范围内的平均相对体积分数占30°的30%~75%。大部分颗粒是射流扩散角为10°范围内，被有效加速，只有少部分颗粒在10°射流外缘被有效加速。采用四种不同粒度钢渣评估超细粉碎效果，表明出产量随着入料粒度的增加而减少，说明颗粒粒径对产量的影响较大，为获得较高的产量，应尽量降低进料粒度。基于过热蒸汽超音速非均匀流场颗粒加速特性研究，可为大宗固废的低成本、规模化利用奠定理论基础。