水平管內(nèi)氣液兩相泡狀流壁面切應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為克服傳統(tǒng)取樣式多相流量測(cè)量方法取樣口易堵塞的缺點(diǎn),提出了通過(guò)管壁取樣測(cè)量氣液兩相流體流量的新方法.管壁四周均勻布置4個(gè)直徑為2.5mm的取樣孔,并在上游采用旋流葉片將來(lái)流整改成液膜厚度均勻分布的環(huán)狀流型,從而增強(qiáng)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(guān).在管徑為0.04m的氣液兩相流實(shí)驗(yàn)回路進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明,在實(shí)驗(yàn)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(dòng)的影響,能夠在寬廣的流動(dòng)范圍內(nèi)維持恒定.液相流量最大測(cè)量誤差為6.8%,氣相流量最大測(cè)量誤差為8.9%.

對(duì)球形顆粒填充通道內(nèi)的空氣-水豎直向上兩相流動(dòng)流型進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)段填充球直徑分別為3、5和8mm,氣相表觀流速為0.005～1.172m/s;液相表觀流速為0.004～0.093m/s。實(shí)驗(yàn)觀察得到4種典型流型:泡狀流、串狀流、液柱脈沖流和乳沫脈沖流,并繪制出流型圖,其中脈沖流占據(jù)較大區(qū)域。通過(guò)與常規(guī)通道流型圖對(duì)比發(fā)現(xiàn):由于填充顆粒的影響,球床通道泡狀流區(qū)域較常規(guī)通道顯著減小。對(duì)比3種球床通道流型圖得到:隨著顆粒直徑的增加,串狀流區(qū)域增大;在低液相流速下,對(duì)于8mm直徑顆粒,串狀流可直接過(guò)渡到乳沫脈沖流。

提出了繞流圓柱壓差-渦輪聯(lián)合測(cè)量氣液兩相流的方法,研究了管內(nèi)氣液兩相流的繞流圓柱壓差-渦輪流量測(cè)量特性。以計(jì)算機(jī)為檢測(cè)手段,進(jìn)行了容積含氣率分別為0、0.3、0.5、0.8和1.0兩相流工況的測(cè)量,在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立了氣液兩相流的繞流圓柱壓差-渦輪流量測(cè)量方程,獲得了氣液兩相流的繞流圓柱壓差-渦輪流量測(cè)量方程的特性。

采用雷諾時(shí)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(guò)商用軟件fluent,對(duì)自吸時(shí)旋流自吸泵內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)作了數(shù)值模擬.在對(duì)蝸殼流道和葉輪流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),尺寸扭曲率為0.78.根據(jù)模擬結(jié)果,將泵內(nèi)兩相流場(chǎng)的靜壓分布,與單液相時(shí)的靜壓分布作了對(duì)比,并比較了葉輪內(nèi)氣相與液相相對(duì)速度的分布情況.另外,對(duì)含氣率的分布情況作了分析.結(jié)果表明,自吸時(shí)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(dòng)是液相通過(guò)相間作用夾帶氣相的流動(dòng),液相速度略大于氣相速度;靠近泵出口的兩個(gè)葉道內(nèi),有氣相的積聚,含氣率較高.

準(zhǔn)確判斷輸氣管道內(nèi)氣液兩相流流型是深入輸氣管道工程研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文分別介紹了垂直上行管段和水平管段兩種情況下輸氣管道內(nèi)氣液兩相流的流型的分類(lèi)方法,分析了影響輸氣管道內(nèi)氣液兩相流流型的主要因素,并研究了目前主要的輸氣管道氣液兩相流流型的監(jiān)測(cè)技術(shù),對(duì)于輸氣工程研究與應(yīng)用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)高爐冷卻壁管內(nèi)污垢沉積而導(dǎo)致傳熱效率低的問(wèn)題,提出在高爐冷卻壁管內(nèi)加入固相顆粒以形成液固兩相流,在防止污垢的沉積及清洗污垢的同時(shí),增加流體的擾動(dòng)強(qiáng)化管內(nèi)對(duì)流傳熱。對(duì)液固兩相流和單相流的傳熱性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,由于固相顆粒的擾動(dòng)和剪切效應(yīng),不僅可以強(qiáng)化管內(nèi)傳熱,而且也可以在線(xiàn)清洗管內(nèi)污垢,在流速為2m/s,固相體積分?jǐn)?shù)為3.5%～5.0%、固相粒徑為2～3mm的范圍內(nèi),與單相流相比,液固兩相流的傳熱系數(shù)提高了20%～45%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為液固兩相流的工業(yè)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

氣液兩相流技術(shù)是蒸發(fā)冷卻電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題,本文圍繞電機(jī)空心導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的研究展開(kāi)論述,從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀ㄏ竽Ｐ蛢蓚€(gè)角度敘述了近年來(lái)微矩形管道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)取得的進(jìn)展及存在的問(wèn)題,并提出了新的研究方向。介紹了蒸發(fā)冷卻電機(jī)在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)展望

輔助高速攝影儀對(duì)正方形小通道內(nèi)氮?dú)?水兩相流向上流動(dòng)進(jìn)行可視化觀察,對(duì)流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得了典型的流型圖像。采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)流型圖像進(jìn)行了處理,檢測(cè)得到氣相的周長(zhǎng)、面積,并通過(guò)提出的假想圓柱體模型計(jì)算和統(tǒng)計(jì)得到了截面含氣率。將壓降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與典型的分相流、均相流壓降模型預(yù)測(cè)值比較,結(jié)果表明,chisholm關(guān)系式能較好地預(yù)測(cè)兩相流的壓降變化,lee&lee關(guān)系式和dukler關(guān)系式可較好地預(yù)測(cè)低表觀速度時(shí)的兩相流壓降。

采用mixture多相流模型、realizable湍流模型與simplec算法,應(yīng)用cfd軟件fluent對(duì)內(nèi)混式自吸泵自吸過(guò)程的氣液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)分析不同含氣率條件下流場(chǎng)的壓力分布、速度分布、氣相分布,探討了氣液兩相介質(zhì)在泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況,一定程度上揭示了內(nèi)混式自吸泵自吸過(guò)程的內(nèi)部流場(chǎng)變化規(guī)律,為自吸泵的設(shè)計(jì)提供更多的參考依據(jù)。

簡(jiǎn)述了在氣液兩相流的工況下的調(diào)節(jié)閥的選型,通過(guò)對(duì)氣液兩相流的工況的分析,計(jì)算出其口徑,并對(duì)這種工況下閥門(mén)的精度及材質(zhì)做了簡(jiǎn)單的介紹。

以氮?dú)夂退疄閷?shí)驗(yàn)介質(zhì),利用高速攝像機(jī)對(duì)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(dòng)特性進(jìn)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(duì)小通道內(nèi)氣泡之間相互無(wú)遮掩性的優(yōu)勢(shì),運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)流型圖像分形增強(qiáng),檢測(cè)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(dòng)的含氣率。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)分液相reynolds數(shù)把流動(dòng)分為層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)和紊流區(qū),并對(duì)chisholm關(guān)系式進(jìn)行修正,結(jié)果表明:修正后的壓降模型能較好地預(yù)測(cè)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

運(yùn)用流場(chǎng)計(jì)算軟件fluent,對(duì)軸流泵葉輪內(nèi)氣液兩相三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,分析了水氣混合工況下的流動(dòng)參數(shù)分布特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)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(dǎo)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。

設(shè)計(jì)了一種新型多圈環(huán)形管用于氣液兩相流參數(shù)的測(cè)量,對(duì)環(huán)形管上升段水平方向內(nèi)外側(cè)差壓波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析,采用無(wú)因次分析方法獲得與差壓波動(dòng)信號(hào)均方根相關(guān)的特征量,建立了此特征量與容積含氣率的關(guān)系模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與差壓波動(dòng)信號(hào)均方根有關(guān)的特征量和容積含氣率存在一定的關(guān)系,在考慮到氣體密度的影響之后,引入氣體密度對(duì)關(guān)系模型進(jìn)行修正,建立了差壓波動(dòng)信號(hào)均方根和容積含氣率量綱1的線(xiàn)性關(guān)系模型.在容積含氣率小于0.65時(shí),氣液兩相流的容積含氣率測(cè)量誤差小于5%,為氣液兩相流的容積含氣率測(cè)量提供了一種方法.

設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)加工工藝要求較低的雙錐流量計(jì),并用于氣液兩相流參數(shù)的測(cè)量.提取雙錐流量計(jì)的差壓波動(dòng)信號(hào)的特征值,采用無(wú)量綱分析方法建立分相含率的測(cè)量模型,通過(guò)優(yōu)化方法獲得局部最佳的模型參數(shù).在氣液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置上開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明,所建立的分相含率測(cè)量模型可在一定的空隙率范圍內(nèi)對(duì)氣液兩相流含氣率進(jìn)行有效的測(cè)量.

流型是兩相流中非常重要的流動(dòng)參量,不同流型下的兩相流流動(dòng)特性及傳熱傳質(zhì)性能有很大不同。流型也嚴(yán)重影響著兩相流參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。利用新近研制的兩相流電導(dǎo)傳感器,在垂直上升氣液兩相流管中采集了不同流型下的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào),采用wigner-ville分布(wvd)在時(shí)頻域內(nèi)處理了電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào),觀察到了wvd特征與流型之間的關(guān)系,取得了較好的氣液兩相流流型辨識(shí)效果。

以空氣、水為工質(zhì),對(duì)進(jìn)口和出口水平管內(nèi)氣液兩相流流過(guò)閘閥的局部阻力特性進(jìn)行了研究。管內(nèi)直徑38mm、閥門(mén)通徑40mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)出了空氣和水兩相流體流過(guò)閘閥時(shí)的局部阻力變化規(guī)律,并與前人的結(jié)果進(jìn)行比較,提出了閘閥局部阻力修正系數(shù),計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)符合良好。

簡(jiǎn)要介紹了一種新型氣液兩相流量傳感器———槽式孔板的工作原理,在分析兩相流體與槽式孔板相互作用機(jī)理的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型詳細(xì)分析了影響槽式孔板兩相壓降倍率的各種因素.利用曲面擬合技術(shù)給出了能夠準(zhǔn)確表征槽式孔板兩相壓降倍率與壓力、氣體froude數(shù)、lockhartmartinelli參數(shù)之間的相關(guān)式,為凝析天然氣計(jì)量技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ).

為了獲得管道充氣排液過(guò)程的兩相流動(dòng)狀態(tài),采用vof模型對(duì)管道充氣排液工況進(jìn)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(yīng),并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù),對(duì)兩相界面進(jìn)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(guò)程,分析了充氣過(guò)程中不同時(shí)刻的管道內(nèi)壓力分布、氣相體積分?jǐn)?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(dòng)特征。模擬結(jié)果也表明,在進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置,vof模型可以用于非自由表面的有壓流動(dòng)的數(shù)值模擬。

建立了高爐冷卻壁三維物理模型。采用大型cfd軟件flunt6.8中的歐拉多相流模型,對(duì)高爐冷卻壁冷卻水管內(nèi)的液固兩相流三維流動(dòng)和污垢清洗特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。分析了流體的流速、固體顆粒的粒徑、體積分?jǐn)?shù)對(duì)流體的流動(dòng)、清洗強(qiáng)度及清洗均勻的影響。結(jié)果表明:流體的湍流強(qiáng)度、壁面污垢清洗強(qiáng)度和壓力降均隨流速、顆粒粒徑和體積分?jǐn)?shù)的增加而增加;液固流態(tài)化清洗防垢除垢效果取決于流速、液固顆粒粒徑和體積分?jǐn)?shù)的合理組合;綜合考慮節(jié)水節(jié)能及污垢清洗的均勻性,高爐冷卻壁的最佳流速為2.0～2.5m/s,固相顆粒粒徑為3～4mm,體積分?jǐn)?shù)為5%～8%。研究結(jié)果為高爐冷卻壁液固流態(tài)化污垢在線(xiàn)清洗的工業(yè)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

文章采用cfd軟件,利用vof氣液兩相流動(dòng)模型,滑移網(wǎng)格技術(shù)和二階精度迎風(fēng)格式數(shù)值研究了水環(huán)真空泵的泵殼內(nèi)的三維兩相流動(dòng)特性。文中給出了計(jì)算結(jié)果的三維兩相分界面,速度矢量和靜壓等值線(xiàn)分布的分析,結(jié)果與經(jīng)典理論分析結(jié)論一致,驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。本文工作為理解和掌握水環(huán)真空泵內(nèi)部真實(shí)流動(dòng)特性和提高水環(huán)真空泵的效率提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

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(duì)r134a在臥式螺旋管內(nèi)沸騰兩相流型及壁溫特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用可視化技術(shù)對(duì)流型進(jìn)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(guò)渡流型,分別為"波環(huán)狀流型"和"超大氣彈流型",因此,對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)呈逐漸降低的趨勢(shì);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。

基于新型水冷球床反應(yīng)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(duì)豎直向上氣-液兩相流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)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(duì)應(yīng)關(guān)系;在相同流動(dòng)條件下,顆粒直徑和孔隙率對(duì)壓降有明顯影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)所得的234組實(shí)驗(yàn)點(diǎn),對(duì)兩類(lèi)阻力關(guān)系式(分相模型關(guān)系式和均相模型關(guān)系式)進(jìn)行了比較和改進(jìn)。結(jié)果表明,基于分相模型的關(guān)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(guān)系式預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相差較大,而改進(jìn)的均相模型關(guān)系式與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。