垂直冷卻水管內(nèi)液固兩相流傳熱與抗垢性能

通過對旋流泵內(nèi)部流道進行三維造型,利用雷諾時均方程、雙方程湍流模型并結合simplec算法對其內(nèi)部三維固液兩相流場和清水單相流場進行了數(shù)值計算,得到了固相不同體積濃度、不同流量下的分布規(guī)律,并研究了外特性的變化規(guī)律。模擬結果表明:固相在葉片工作面分布較多;在葉輪里離后蓋板越遠,濃度越高;無葉腔分布濃度大于葉輪分布濃度;固相濃度的增加會引起揚程的減小。

輔助高速攝影儀對正方形小通道內(nèi)氮氣-水兩相流向上流動進行可視化觀察,對流動特性進行了實驗研究,獲得了典型的流型圖像。采用數(shù)字圖像處理技術對流型圖像進行了處理,檢測得到氣相的周長、面積,并通過提出的假想圓柱體模型計算和統(tǒng)計得到了截面含氣率。將壓降實驗數(shù)據(jù)分析結果與典型的分相流、均相流壓降模型預測值比較,結果表明,chisholm關系式能較好地預測兩相流的壓降變化,lee&lee關系式和dukler關系式可較好地預測低表觀速度時的兩相流壓降。

以氮氣和水為實驗介質(zhì),利用高速攝像機對水力直徑為1.15mm的矩形小通道內(nèi)的氣液兩相垂直向上流動特性進行可視化研究,依次得到泡狀流、彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流4種典型的流型圖像。針對小通道內(nèi)氣泡之間相互無遮掩性的優(yōu)勢,運用圖像處理技術對流型圖像分形增強,檢測氣泡邊緣并填充后根據(jù)提出的氣相體積模型,得到兩相流動的含氣率。結合實驗數(shù)據(jù),根據(jù)分液相reynolds數(shù)把流動分為層流區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū),并對chisholm關系式進行修正,結果表明:修正后的壓降模型能較好地預測本文實驗結果。

為了研究泥沙顆粒對沖擊式水輪機噴嘴內(nèi)的流動特性,建立了噴嘴射流的三維數(shù)學模型。利用流體分析軟件fluent,首先對連續(xù)相選用標準k??湍流模型進行計算,再選用離散模型進行固液兩相流耦合計算。分析在泥沙顆粒和水流的雙重作用下,對噴嘴壁面沖蝕磨損影響。分析得出:泥沙顆粒在噴嘴內(nèi)部流動特性呈現(xiàn)非對稱性特性,影響射流的運動特性,進而影響噴嘴各部位的沖蝕磨損程度,噴嘴下部磨損比上部嚴重。

為了探究混流式水輪機改造前后轉(zhuǎn)輪泥沙磨損情況,采用固液兩相流模型對某電站改造前后的混流式水輪機進行全流道數(shù)值模擬,分析不同工況下轉(zhuǎn)輪葉片表面泥沙分布,轉(zhuǎn)輪葉片表面固液兩相速度差,以及水輪機效率。結果表明:小流量工況下泥沙磨損最嚴重;水輪機改造后,葉片表面泥沙體積分數(shù)下降,固液兩相速度差減少,泥沙磨損減弱,水輪機效率較改造前提升了5.5%。該研究可為水輪機改造提供一定的參考。

基于新型水冷球床反應堆,以水和空氣為工質(zhì),分別在直徑為2、5、8mm的玻璃球填充圓管形成多孔介質(zhì)通道中,對豎直向上氣-液兩相流動阻力特性進行了實驗研究。結果表明,阻力壓降隨著氣液流量的增加而增大,并且與流型存在一定的對應關系;在相同流動條件下,顆粒直徑和孔隙率對壓降有明顯影響。結合實驗所得的234組實驗點,對兩類阻力關系式(分相模型關系式和均相模型關系式)進行了比較和改進。結果表明,基于分相模型的關系式一致性較好,但隨著顆粒直徑的增加其偏差值增大;現(xiàn)有的基于均相模型關系式預測值與實驗值相差較大,而改進的均相模型關系式與實驗值吻合較好。

在較寬的實驗參數(shù)范圍內(nèi)(系統(tǒng)壓力p=8～15mpa,質(zhì)量流速g=800～1800kg·m~(-2)·s~(-1),壁面熱流密度q_w=200～950kw·m~(-2))對一立式螺旋管內(nèi)(管內(nèi)徑為10mm,螺旋直徑為300mm,節(jié)距為50mm)汽水兩相流動沸騰干涸特性進行了實驗研究。通過研究,獲得了干涸發(fā)生時螺旋管圈壁溫的分布特征以及壓力、質(zhì)量流速和壁面熱流密度這三個參數(shù)對臨界干度的影響規(guī)律。同時在實驗數(shù)據(jù)的基礎上,提出了一個適用于計算螺旋管內(nèi)高壓高含汽率工況下汽水兩相流臨界干度的經(jīng)驗關系式。

采用數(shù)值模擬方法研究了幅值分別為3mm、4mm的兩種波紋管的湍流傳熱性能,發(fā)現(xiàn)幅值為4mm的波紋管換熱效果優(yōu)于幅值為3mm的波紋管,幅值為4mm的波紋管壁面剪切力更大是致其換熱效果較好的直接原因。波紋管壁面剪切力沿軸向周期性變化,喉結處壁面剪切力最大。波紋管縱向渦及流道形狀周期性變化是傳熱獲得強化的根本原因。引入壁面剪切力、縱向渦等參數(shù),并與傳熱性能相關聯(lián),為波紋管換熱器研發(fā)提供借鑒。

針對低滲透油藏孔隙尺度小、采收率低的問題,采用寬度為200μm、深度分別為1.8μm和4.1μm的兩個矩形通道,結合數(shù)字顯微攝像技術和微流體測試技術,對巖層孔隙流動進行了模擬,得到了孔隙通道中單相油以及含油率(體積分數(shù))為10%～60%的油水兩相流的流動特性.實驗結果表明:對于深度為1.8μm和4.1μm的兩個矩形通道,單相油流動的摩擦系數(shù)低于理論值,并與雷諾數(shù)呈線性關系;泊肅葉數(shù)小于理論預測值,通道尺度越小,泊肅葉數(shù)實驗值與理論值的差異越大.油水兩相流流動的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)也滿足線性關系,在不同含油率時有的高于理論值,有的低于理論值;泊肅葉數(shù)總體隨含油率增加而減小,在含油率為20%與60%時出現(xiàn)跳躍式增長,分析表明泊肅葉數(shù)隨含油率變化是受壁面親水性的影響.

利用組合潛污泵系統(tǒng)可以高效地將煤礦水倉和老空突水災害中的煤水混合物外排,但煤泥濃度及顆粒直徑直接影響管路系統(tǒng)的水力特性,并影響排污泵的性能和效果.對不同濃度、不同粒徑、不同管路形式的水力特性進行了理論計算,建立了相應的理論模型,計算結果可為煤礦水倉清理及老空突水搶險排水的應用提供依據(jù).

為克服傳統(tǒng)取樣式多相流量測量方法取樣口易堵塞的缺點,提出了通過管壁取樣測量氣液兩相流體流量的新方法.管壁四周均勻布置4個直徑為2.5mm的取樣孔,并在上游采用旋流葉片將來流整改成液膜厚度均勻分布的環(huán)狀流型,從而增強了取樣的代表性.分析表明,取樣流體中的液相質(zhì)量流量與主流體液相質(zhì)量流量的比值主要取決于取樣孔的數(shù)目和大小,而取樣流體中的氣相質(zhì)量流量與主流體氣相質(zhì)量流量的比值則與主管路液相流量有關.在管徑為0.04m的氣液兩相流實驗回路進行的實驗表明,在實驗范圍內(nèi)液相取樣比為0.049,基本不受主管氣液相流量波動的影響,能夠在寬廣的流動范圍內(nèi)維持恒定.液相流量最大測量誤差為6.8%,氣相流量最大測量誤差為8.9%.

采用雷諾時均n-s方程和rngk-ε湍流模型,使用多相流模型中的混合物模型,通過商用軟件fluent,對自吸時旋流自吸泵內(nèi)氣液兩相流場作了數(shù)值模擬.在對蝸殼流道和葉輪流道進行網(wǎng)格劃分時,尺寸扭曲率為0.78.根據(jù)模擬結果,將泵內(nèi)兩相流場的靜壓分布,與單液相時的靜壓分布作了對比,并比較了葉輪內(nèi)氣相與液相相對速度的分布情況.另外,對含氣率的分布情況作了分析.結果表明,自吸時氣液兩相狀態(tài)下的靜壓稍小于單液相狀態(tài)下的靜壓;泵內(nèi)的主要流動是液相通過相間作用夾帶氣相的流動,液相速度略大于氣相速度;靠近泵出口的兩個葉道內(nèi),有氣相的積聚,含氣率較高.

氣液兩相流技術是蒸發(fā)冷卻電機冷卻系統(tǒng)設計的關鍵問題,本文圍繞電機空心導線內(nèi)氣液兩相流動的研究展開論述,從經(jīng)驗模型和唯象模型兩個角度敘述了近年來微矩形管道內(nèi)氣液兩相流動取得的進展及存在的問題,并提出了新的研究方向。介紹了蒸發(fā)冷卻電機在中國的發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望

利用計算流體動力學技術對用于空調(diào)凈化領域的高效過濾器(highefficiencyparticulateairfilters,hepa)內(nèi)的氣-固兩相流動特性進行數(shù)值研究,該高效過濾器由交錯排列纖維組成。模擬時,計算不同運行條件下過濾器的壓力損失及不同粒徑范圍過濾器的捕集效率,并將數(shù)值計算值和文獻中的經(jīng)驗模型計算值進行了比較。結果表明:和其他經(jīng)驗模型比較,過濾器壓力損失的數(shù)值預測值和實驗關聯(lián)式吻合較好,誤差在2%以內(nèi),預測結果也表明,隨著迎面風速的增加,過濾器壓力損失呈線性增加;在過濾器中不同粒徑范圍的微細顆粒捕集機理也不同,對于本文所研究的過濾器,粒徑小于0.2μm時,主要由布朗擴散起作用,粒徑大于0.5μm時,慣性碰撞貢獻較大,而粒徑位于0.2μm～0.5μm之間時,兩種機理作用都較弱,因此過濾器的捕集效率在該范圍出現(xiàn)最小值。

運用流場計算軟件fluent,對軸流泵葉輪內(nèi)氣液兩相三維流場進行了數(shù)值計算,分析了水氣混合工況下的流動參數(shù)分布特點。通過對葉輪流道內(nèi)的靜壓分布及含氣率分布的分析,揭示了氣泡在葉輪流道中的分布特征。研究發(fā)現(xiàn),在不改變?nèi)~片安裝角的情況下,隨著流量的增加,沖角發(fā)生變化,導致氣泡聚積現(xiàn)象從葉片的背面移到葉片工作面。此外,在葉片背面靠近輪轂處和葉片背面的輪緣處易發(fā)生氣泡的聚積。

利用tsi-1268w熱膜探針測量了內(nèi)徑為35mm的水平管內(nèi)氣液兩相泡狀流的壁面切應力,得到了充分發(fā)展段上壁面切應力沿周向的分布數(shù)據(jù)。測量結果表明,液相中加入氣泡后,在管道下部的壁面切應力增大,在含氣率較高的管道上部出現(xiàn)了壁面切應力減小的現(xiàn)象。隨著氣相流速的增加,管道上部的壁面切應力有較小幅度的降低,管道中下部的壁面切應力有較大幅度的增加。

建立了帶浮塵源的同側(cè)上送下回側(cè)送風和異側(cè)上送下回側(cè)送風標準房間的物理模型,采用k-ε湍流模型和歐拉拉格朗日兩相流模型模擬了不同粒徑浮塵在房間內(nèi)的軌跡,分析了不同送風形式、送風速度下不同粒徑顆粒對氣相流動的影響。

本實驗以氟利昂-113作為工作流體,對豎直方管內(nèi)向上兩相流動的臨界熱流密度(criticalheatflux,chf)進行了實驗研究.實驗主要參數(shù)的范圍為:質(zhì)量流速650～1800kg/(m2s);進口壓力380～550kpa;入口干度,過冷～1.0.重點分析了質(zhì)量流速,壓力,進出口干度對chf值的影響.實驗結果表明:chf值隨質(zhì)量流速的增大而增大,隨壓力的升高有所減小,隨進口干度的增加基本呈現(xiàn)線性下降趨勢,同時在發(fā)生臨界熱流現(xiàn)象后,出口干度基本保持不變.

在蒸發(fā)溫度為5~15℃,工質(zhì)質(zhì)量流速變化范圍為50~500kg/(m2s),熱流密度范圍為5~25kw/m2和干度范圍為0.01~0.9的條件下,對r134a在臥式螺旋管內(nèi)沸騰兩相流型及壁溫特性進行了實驗研究。利用可視化技術對流型進行了觀察分析,發(fā)現(xiàn)在相同工況條件下,臥式螺旋管上升段和下降段的流型有所不同,特別是形成環(huán)狀流之前存在明顯不同的過渡流型,分別為"波環(huán)狀流型"和"超大氣彈流型",因此,對上升段和下降段分別建立了流型圖。分別獲得了臥式螺旋管沿管長和沿螺旋管橫截面圓周方向的壁面溫度分布特性。壁面溫度沿管長呈逐漸降低的趨勢;沿橫截面圓周方向,最外側(cè)壁溫最低,最內(nèi)側(cè)壁溫最高,兩側(cè)溫度居中。

根據(jù)廢棄線路板破碎解離物料中金屬與非金屬顆粒密度特性及運動特性的差異,研制了水介質(zhì)變徑液固兩相流分選裝置及工藝,對0.5~0.25,0.25~0.125,0.125~0.074,<0.074mm這4個粒級廢棄線路板物料分粒級進行了金屬的富集回收分選實驗.結果表明:前3個粒級產(chǎn)品的金屬品位與回收率同時達到90%以上,<0.074mm物料的金屬品位與回收率分別為65.51%及93.42%,工藝上實現(xiàn)了水介質(zhì)的循環(huán)利用.

介紹了安全閥氣液兩相泄放工況如何發(fā)生及所具有的特點,探討了在這種泄放工況下怎樣確定安全閥的尺寸。討論了兩相流泄放面積計算方法\原理和詳細計算步驟,并通過設計案例對計算方法進行比較。結果表明:相比于omega-2和氣-液相泄放面積相加的方法,omega-1方法和diers積分法得到的泄放面積較大,較為保守安全。所以在實際工程設計中,推薦使用這兩種方法計算氣-液兩相流安全閥的泄放面積。

為了獲得管道充氣排液過程的兩相流動狀態(tài),采用vof模型對管道充氣排液工況進行了數(shù)值模擬研究。模型考慮了液體表面張力、壁面粘附力,流體粘度,管壁粗糙度以及氣體可壓縮性效應,并采用結構化網(wǎng)格和自適應網(wǎng)格加密技術,對兩相界面進行了跟蹤,觀察了這一工況下的氣液兩相混合及界面變化過程,分析了充氣過程中不同時刻的管道內(nèi)壓力分布、氣相體積分數(shù)、管流摩阻和能量交換情況,得到了這一工況下氣液兩相的流動特征。模擬結果也表明,在進行適當?shù)木W(wǎng)格劃分和參數(shù)設置,vof模型可以用于非自由表面的有壓流動的數(shù)值模擬。