气波引射器的参数优化及实验研究

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气波引射器是一种利用压力波的传播来实现不同流体之间能量交换的新型增压设备。较静态引射器,气波引射器具有等熵效率高的特点,尤其在小膨胀比工况下更有优势。在天然气开采集输系统中,不同地层压力气田的产气需要以相同的压力进行集输,造成能量的浪费。对气波引射器性能的研究,在实现低压气田增压开采及高压气田压力能回收方面具有重要的实用价值。鉴于国内外对气波引射器的研究报道较少,本文从探究其内部能量传递机理入手,通过理论分析、数值计算及实验研究等手段,对气波引射器的性能进行研究,结果及结论如下:(1)运用气体动力学一维非定常流动分析方法,详细分析气波引射器波转子内激波、膨胀波的运动规律;并在此基础上建立理想波图,分析气波引射器的工作过程。(2)建立二维多周期数值计算模型,从波系运动、接触面运行规律、气流速度及稳压区压力等方面分析气波引射器内部流动特性。基于数值分析的结果,与静态引射器进行性能比较,得出结论:在小膨胀比工况下,气波引射器具有更高的抽射率及等熵效率。(3)设计并建立了气波引射器实验系统,从工作波图出发,分析各个结构参数之间的相互影响关系;基于数值模拟的结果对中压端口压力、转速、高中低压三个端口宽度、固壁宽度及偏转距离对性能的影响规律进行研究,并分析性能变化的原因。基于实验和数值模拟的结果得出各结构参数最优值的确定原则,为气波引射器的参数优化提供了重要依据。(4)提出反馈式气波引射器,该结构一方面可以减弱中压开启时产生的压缩波,另一方面通过提升PH/PC降低高压气体的流量来提升设备的性能;运用数值计算及实验研究对其性能参数进行分析,得到最优的反馈口宽度及其位置。实验结果证明:膨胀比为2时,反馈结构最高可使抽射率提升约20%,等熵效率提升9.7%。
摘要第1-5页
Abstract第5-9页
引言第9-10页
1 绪论第10-33页
   ·天然气在我国能源结构中的重要意义第10-11页
   ·天然气增压技术第11-15页
     ·天然气开采和集输现状第11-12页
     ·传统增压设备第12-15页
   ·压力交换技术第15-29页
     ·压力交换设备发展概况第16-27页
     ·数值模拟研究进展第27-29页
   ·压力交换技术的适用范围第29-30页
   ·本文研究内容第30-33页
     ·研究背景第30-31页
     ·主要内容第31-33页
2 基本理论第33-51页
   ·气波引射器的理想波图第33-36页
     ·基本的气体动力学过程第33-34页
     ·三种理想波图第34-36页
   ·气波引射器的工作原理研究第36-38页
     ·气波引射器的结构第36-37页
     ·工作原理第37-38页
   ·基本波理论第38-49页
     ·激波形成及运动第38-45页
     ·膨胀波形成及运动第45-48页
     ·激波管第48-49页
   ·性能评价第49-50页
   ·本章小节第50-51页
3 气波引射器的内部流动分析第51-69页
   ·控制方程第51-54页
     ·守恒性控制方程第51-52页
     ·湍流模型第52-54页
   ·控制方程的离散第54-56页
     ·离散方法第54-55页
     ·离散格式第55-56页
   ·二维数值模型的建立第56-58页
     ·几何模型第56-57页
     ·边界条件第57-58页
     ·求解器设置第58页
   ·模型验证第58-61页
     ·压力波分辨率和间断的捕捉能力第58页
     ·初始条件的影响第58-60页
     ·三维模拟第60-61页
     ·实验验证第61页
   ·内部流场的简单分析第61-65页
     ·气波引射器内的波系运动第62-63页
     ·气波引射器接触面运动第63页
     ·气波引射器x方向速度分析第63-64页
     ·稳压区压力分布分析第64-65页
   ·与静态引射器的性能比较第65-68页
     ·静态引射器的内部流动分析第65-66页
     ·性能对比第66-68页
   ·本章小节第68-69页
4 气波引射器的实验研究第69-94页
   ·实验系统第69-77页
     ·实验流程第69-70页
     ·实验设备和测量装置第70-73页
     ·流量计的标定第73-77页
   ·影响设备性能的参数第77-79页
   ·操作参数对性能的影响第79-82页
     ·压力条件对性能的影响第79-81页
     ·转速对性能的影响第81-82页
   ·结构参数对性能的影响第82-93页
     ·高压端口宽度对性能的影响第82-84页
     ·偏转距离对性能的影响第84-87页
     ·中压端口宽度对性能的影响第87-89页
     ·固壁宽度对性能的影响第89-91页
     ·低压端口宽度对性能的影响第91-93页
   ·本章小结第93-94页
5. 反馈式气波引射器的研究第94-104页
   ·反馈结构第94-95页
   ·反馈式气波引射器的内部流动分析第95页
   ·数值模拟结果分析第95-101页
     ·中压的影响第96-97页
     ·反馈口与高压端口间偏转距离的影响第97-99页
     ·反馈口宽度的影响第99-101页
   ·实验验证第101-103页
   ·本章小节第103-104页
结论第104-106页
参考文献第106-111页
攻读硕士学位期间发表学术论文情况第111-112页
致谢第112-113页
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