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高精度流体热物性测试实验系统的研制及二甲醚热物理性质的研究

吴江涛

   随着全球石油资源的不断减少,寻找新的石油替代燃料,特别是清洁燃料,成了各个国家当前迫切需要解决的重大问题。经过近十几年的研究发现,醇类、醚类及酯类等含氧燃料都有希望作为未来清洁汽车燃料的主要成分或添加成份。特别是最近的研究表明,二甲醚及其混合物作为汽车燃料具有理想的燃烧特性和排放特性,因此它们非常有希望成为今后的主要汽车燃料,从而可以节约大量的石油资源,降低有害排放,减轻能源危机与环境污染问题。目前,越来越多的研究人员开始从事燃料替代方面的研究,然而由于这些物质的热物理与化学性质数据普遍缺乏或精度不高,严重阻碍了燃料替代研究的进一步深入。 本文工作的主要目的是希望能够为目前正在进行的清洁汽车燃料研究,特别是以二甲醚作为汽车燃料,提供急需的物性实验数据和计算方程,同时提高流体热物性测试的精度和自动化水平,并为今后进一步开展燃料及其它工质的热物性研究积累条件和经验。本文所取得的主要成果有: 1.研制了一套具有国际先进水平的高精度流体热物性测试实验系统并自行开发了相关的测试软件。其中包括高精度温度测量系统(在-80~300℃范围内,测量的不确定度小于±1mK),高精度压力测量系统(测量范围为0~6.9MPa,测量的准确度为0.01%),高精度控温油槽(室温+5~300℃,温度波动度小于±3mK/15min,温度小于100℃为±2mK/15min)、高精度控温水槽(室温+5~85℃,温度波动度小于±1mK/15min)、高精度控温的酒精槽(-80~50℃,在-60~50℃温度区间,温度波动度小于±5mK/15min,在-80~-40℃温度区间,温度波动度小于±15mK/15min)、真空及配气系统等。同时结合最新的虚拟仪器等自动化测试技术,开发了相关的温度、压力测量及恒温槽控制软件,并最终实现了流体PVTx性质测试的自动化。另外,为了提高恒温槽的控温精度,本文提出了一种准二维的自适应模糊PID温度控制算法,实际运行的效果表明,此方法非常有效。 2.提出了一种新的流体临界参数测量判断依据。本文以二甲醚和HFC152a为实验对象,对流体临界乳光现象进行详细的实验研究。结果发现,现有的临界参数测量(气液界面消失)方法中存在有不可克服的缺陷,而且存在有结果复现性差和测量周期长等缺点与不足,因此结合临界现象本身的特点,作者提出了一种新的判断方法,并得到了二甲醚的临界参数、气液共存曲线和临界指数β,以及HFC152a的临界温度。 3.研制了新的临界参数与饱和蒸气压测量装置、Burnett法测量PVT性质装置等;改造了现有的表面张力与粘度测量等实验装置;对二甲醚的热物理性质进行了详细的实验研究。本文获得的二甲醚实验数据主要包括:饱和蒸气压、饱和气液相密度,PVT性质、表面张力,饱和液体粘度等,大部分数据属国际上首次获得。并在此基础上,拟合得到了新的二甲醚饱和蒸气压方程、饱和气液密度方程、气相状态方程、表面张力方程、粘度方程和导热系数方程等。为目前正在进行的二甲醚汽车和其它用途研究提供急需的物性数据。 4.在假设存在“压力零点温度”的概念基础上,运用对比态的方法,本文提出了一个新的饱和蒸气压方程。通过对大量工质的实验数据拟合研究表明,新方程在复现饱和蒸气压实验数据上的精度与目前国际公认为最好的Wagner型饱和蒸气压方程相当,而且新方程具有参数少和物理形式简单等特点。同时在饱和蒸气压方程的外推性方面,新方程明显优于Wagner方程和项红卫方程。 5.利用第二音速维里系数与势能模型之间的关系,本文提出了一种新的拟合Lennard-Jones、Kihara和方阱等势能模型参数的方法,并得到了一些简单流体和制冷工质的相应势能参数。同时结合流体热物性研究的发展趋势,本文初步开展了集群系统中的分子动力学并行算法研究,特别是对分子间短程作用力计算方法及并行算法的效率进行了比较分析。为今后如何合理评价分子动力学并行算法的效率提供参考依据。……