含湿气体在超音速旋流中的流动特性与分离性能研究

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雅宝题库解析：
超音速旋流分离技术已成为继甘醇和透平膨胀机之后的一个重要脱水技术，它具有结构简单紧凑，无转动部件，可靠性高，无化学处理系统，低投资和低维护费用等优点。针对我国天然气田流量小的特点，无中心锥超音速旋流分离器更适合小流量超音速脱水的应用。本文首先自主设计了无中心锥超音速旋流分离器方案Ⅰ，对方案Ⅰ进行了数值模拟和实验研究，分析了其基本流动状态和分离性能。在方案Ⅰ的基础上，改进了旋流器设计，为了减小总压损失采用收扩型扩压分离器形成超音速旋流分离器方案Ⅱ，并针对方案Ⅱ的双喉道不起动题目提出了采用多孔壁结构的解决方法，在解决起动题目的基础上对方案Ⅱ进行数值模拟和实验研究，分析其基本流动状态和分离性能。通过以上研究得到以下结论：随着落压比的减小，激波由扩压分离器进入拉瓦尔喷管，导致超音速旋流分离器内超音速区域逐渐减小，露点降减小最低露点升高，分离性能降低；随着旋流强度的增大，离心加速度逐渐增大，喉道和激波位置前移，流量减小喷管外壁面静压增大，分离性能升高；随入口气流总温的增大，露点降增大最低露点升高；多孔壁结构可以有效解决双喉道的起动题目；通过对模型Ⅱ和模型Ⅰ的分离性能对比，得到以下结论：在相同进口温度情况下，模型Ⅱ露点降大于模型Ⅰ，模型Ⅱ露点降与模型Ⅰ露点降的差值随着压力损失的增大而减小，即在较高压力恢复的情况下模型Ⅱ分离性能更优于模型Ⅰ；在相同压比的情况下，模型Ⅱ露点降与模型Ⅰ露点降的差值随着入口温度的提高而减小，即在较低进口温度的情况下模型Ⅱ分离性能更优于模型Ⅰ。模型Ⅱ中拉瓦尔喷管的超音速气流在扩压器的收缩段先减速增压，并较小的马赫数的速度通过扩压器喉道，然后在扩压器扩张段形成正激波，因为波前马赫数较小，因此具有激波损失小的优点；