冰晶动力学行为与粒径分布演化规律研究

【摘要】发展展冰浆动态蓄能技术是解决电网负荷的供需平衡与太阳能的高效连续开发利用的有效途径。冰浆的生成、存储及应用过程与冰晶粒径及分布密切相关。由于冰晶的微观性及其生成与存储所经历的复杂物理过程,无论是其形成过程与机理,还是在形成与演变过程中的微尺度动力学行为特点与演化规律,都缺乏相关的理论描述和定量描述。因此,本文重点研究冰浆制备与存储过程中冰晶颗粒动力学行为与粒径分布演化规律,为更深层次地揭示冰晶的形成、存储与控制的机理与规律提供理论依据与科学参考。本文首先从微观角度分析了冰晶成核的机理,并对影响成核的影响因素进行讨论；再通过建立冰层生长控制模型,从宏观角度对间接式冰浆制备过程冰层生成进行了研究,并探讨影响冰层生成的主要因素。结果表明：1)接触角与界面粗糙度的增加会降低溶液临界成核能；添加剂能够增加溶液内部临界成核能差,抑制异质成核；临界成核能差随着过冷度的增加而减小；过冷度的增加会减少临界成核能,从而增强异质成核,且过冷度对成核的影响比接触角更为明显。2)冰层生长控制模型计算结果与文献实验结果基本一致,表明模型可用于定量描述间接式冰浆制备冰层生长过程。3)乙二醇(EG)溶液比氯化钠(SC)溶液具有更强的抑制冰层生长的作用,增加添加剂浓度会降低冰层生长厚度,溶液流速过低或过高会破坏冰层形成时生长作用与剥离作用之间的平衡。搭建包含冰浆制备与冰晶图像采集的实验平台,对冰晶粒径分布规律进行实验研究。针对实验过程中发现的冰堵问题,提出间接式冰浆制备系统冰堵判定条件,并进行了实验验证。实验获取了冰晶颗粒图像,采用基于颗粒图像处理技术的数字图像测量方法,研究选取合适的数字图像处理算法,提取冰晶颗粒图像的特征参数。对冰晶颗粒图像的特征参数进行统计,并进行拟合优度检验,结果表明冰晶粒径分布的最优分布函数为Log-Normal分布函数。实验获得了冰晶粒径分布规律,为本文模拟研究中冰晶粒径分布拟合提供了可靠依据。通过冰晶动力学行为非平衡热力学分析,建立了描述冰晶动力学行为与粒径分布演化的数群平衡模型,运用改进有限容积法(IFMV)对模型进行求解,并利用文献中的实验结果对模型进行了验证。结果表明：1)通过算法比较分析发现,IFMV算法能较好的消除方程中对流项的影响,减小了生长动力学行为条件下数值解的失真,而在团聚动力学行为中,两种算法计算结果与分析解基本一致。2)冰晶粒径数量密度分布和平均粒径的模拟结果与实验结果的一致性,验证了模型的可靠性,表明该模型可用于冰晶动力学行为与粒径分布演化问题的分析研究。3)分析指出动力学行为核模型参数、冰晶粒径的初始分布、模型的边界条件、模型中冰晶粒子形状以及载流溶液与外部环境等因素是导致模型误差的主要原因。基于冰晶颗粒数群平衡模型,研究了破碎与团聚两个动力学行为对冰晶存储的影响,阐述了破碎与团聚对冰晶存储的作用机理与规律；再综合考虑冰晶的成核、生长、团聚与破碎等动力学行为,系统研究了添加剂种类与浓度、含冰率与耗损率等外因对破碎率与团聚率、冰晶粒径分布密度及平均粒径的影响。结果表明：1)团聚和破碎动力学行为是影响冰浆存储过程冰晶粒径演化的两个重要因素,两者“作用方向”相反,且破碎与团聚经历从最初的破碎与团聚“均衡作用”发展成团聚“主导”的过程。2)同浓度下,添加剂乙醇与乙二醇对冰晶粒径增长速度抑制效果比氯化钠好；减少溶液的浓度会降低冰晶粒径增长的速度；含冰率越低,冰浆溶液中冰晶粒径增长越慢；耗损率越高,冰浆溶液中冰晶粒径增长越慢。
【作者】徐爱祥；
【导师】刘志强；
【作者基本信息】中南大学，土木工程，2014，博士
【关键词】动态蓄能；冰晶；动力学行为；粒径分布与演化；数群平衡模型；

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