气液两相流流型振荡诱发制冷循环不稳定性实验

准确判断输气管道内气液两相流流型是深入输气管道工程研究与应用的基础。本文分别介绍了垂直上行管段和水平管段两种情况下输气管道内气液两相流的流型的分类方法,分析了影响输气管道内气液两相流流型的主要因素,并研究了目前主要的输气管道气液两相流流型的监测技术,对于输气工程研究与应用具有重要现实意义。

采用雷诺时均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,通过商用软件fluent,对自吸时旋流自吸泵内气液两相流场作了数值模拟.在对蜗壳流道和叶轮流道进行网格划分时,尺寸扭曲率为0.78.根据模拟结果,将泵内两相流场的静压分布,与单液相时的静压分布作了对比,并比较了叶轮内气相与液相相对速度的分布情况.另外,对含气率的分布情况作了分析.结果表明,自吸时气液两相状态下的静压稍小于单液相状态下的静压;泵内的主要流动是液相通过相间作用夹带气相的流动,液相速度略大于气相速度;靠近泵出口的两个叶道内,有气相的积聚,含气率较高.

以空气、水为工质,对进口和出口水平管内气液两相流流过闸阀的局部阻力特性进行了研究。管内直径38mm、阀门通径40mm。根据实验结果,总结出了空气和水两相流体流过闸阀时的局部阻力变化规律,并与前人的结果进行比较,提出了闸阀局部阻力修正系数,计算值和实验符合良好。

采用mixture多相流模型、realizable湍流模型与simplec算法,应用cfd软件fluent对内混式自吸泵自吸过程的气液两相流进行了数值模拟。通过分析不同含气率条件下流场的压力分布、速度分布、气相分布,探讨了气液两相介质在泵内的运动情况,一定程度上揭示了内混式自吸泵自吸过程的内部流场变化规律,为自吸泵的设计提供更多的参考依据。

简述了在气液两相流的工况下的调节阀的选型,通过对气液两相流的工况的分析,计算出其口径,并对这种工况下阀门的精度及材质做了简单的介绍。

为克服传统取样式多相流量测量方法取样口易堵塞的缺点,提出了通过管壁取样测量气液两相流体流量的新方法.管壁四周均匀布置4个直径为2.5mm的取样孔,并在上游采用旋流叶片将来流整改成液膜厚度均匀分布的环状流型,从而增强了取样的代表性.分析表明,取样流体中的液相质量流量与主流体液相质量流量的比值主要取决于取样孔的数目和大小,而取样流体中的气相质量流量与主流体气相质量流量的比值则与主管路液相流量有关.在管径为0.04m的气液两相流实验回路进行的实验表明,在实验范围内液相取样比为0.049,基本不受主管气液相流量波动的影响,能够在宽广的流动范围内维持恒定.液相流量最大测量误差为6.8%,气相流量最大测量误差为8.9%.

在200~450kg/(m2.s)的低质量流速下,采用31.8mm×6mm的6头内螺纹管,在高压试验台上进行了垂直和倾斜并联内螺纹管两相流不稳定性对比试验研究.研究表明:对压力降脉动和密度波脉动,随着进口压力和质量流速的增加,发生脉动的界限热负荷增加,垂直并联管的界限热负荷总是大于倾斜并联管,说明垂直并联内螺纹管的稳定性更好;过冷度对脉动发生的界限热负荷和脉动周期的影响出现不同的趋势.通过对试验数据进行回归处理,给出了两种条件下发生不稳定性脉动的起始点无因次准则方程.

针对600mw超临界"w"火焰锅炉低质量流速水冷壁所采用的内螺纹管及锅炉设计参数,在高压汽水两相流试验台上进行了垂直并联内螺纹管中两相流不稳定性的试验研究,并观测到了压力降和密度波两种形式的脉动.在试验参数范围内就系统压力、质量流速、进口过冷度、上游可压缩容积、出口节流度和不对称加热对两相流不稳定性的影响进行了研究和分析.试验表明,在垂直并联内螺纹管中,压力降型脉动出现在干度较低的水动力曲线负斜率段,为两管整体脉动,而密度波型脉动出现在干度较高的正斜率区域,呈管间脉动.同时,根据试验结果,采用均相流模型得到了不稳定发生的界限关系式,为超临界锅炉低质量流速垂直并联内螺纹管水冷壁的设计与安全运行提供了依据.

以空气和水为工质,对螺旋管内气液两相流动阻力特性进行了实验研究,得到了不同工况条件下螺旋管内阻力数据,分析了质量流量及干度对管内阻力的影响,采用回归分析法建立了螺旋管内摩擦阻力系数关系式,确立了摩擦阻力与相关物理量的函数关系,在此基础上建立了螺旋管内气液两相流动摩擦阻力的计算公式,并用未参加回归分析的实验数据验证了该阻力计算公式。结果表明,螺旋管内气液两相流摩擦阻力随干度的增加呈线性增加,随质量流量的增加呈指数增加,所建立的管内摩擦阻力计算公式的计算值与实验值吻合得较好。

在高压试验台上进行了倾斜并联内螺纹管和光管内汽-液两相流不稳定性试验,在此基础上对两种管型进行了对比研究,探讨了两种管型下各种参数对流动不稳定性的影响。对比研究表明,发生压力降型脉动时,光管的界限热负荷小于内螺纹管;发生密度波型脉动时,内螺纹管的界限热负荷小于光管。通过对试验数据进行最小二乘法回归,给出了两种管型内发生不稳定性的界限热负荷无因次方程。

辅助高速摄影仪对正方形小通道内氮气-水两相流向上流动进行可视化观察,对流动特性进行了实验研究,获得了典型的流型图像。采用数字图像处理技术对流型图像进行了处理,检测得到气相的周长、面积,并通过提出的假想圆柱体模型计算和统计得到了截面含气率。将压降实验数据分析结果与典型的分相流、均相流压降模型预测值比较,结果表明,chisholm关系式能较好地预测两相流的压降变化,lee&lee关系式和dukler关系式可较好地预测低表观速度时的两相流压降。

设计了一种新型多圈环形管用于气液两相流参数的测量,对环形管上升段水平方向内外侧差压波动信号进行了分析,采用无因次分析方法获得与差压波动信号均方根相关的特征量,建立了此特征量与容积含气率的关系模型,并在此基础上进行了实验.实验结果表明与差压波动信号均方根有关的特征量和容积含气率存在一定的关系,在考虑到气体密度的影响之后,引入气体密度对关系模型进行修正,建立了差压波动信号均方根和容积含气率量纲1的线性关系模型.在容积含气率小于0.65时,气液两相流的容积含气率测量误差小于5%,为气液两相流的容积含气率测量提供了一种方法.

文章采用cfd软件,利用vof气液两相流动模型,滑移网格技术和二阶精度迎风格式数值研究了水环真空泵的泵壳内的三维两相流动特性。文中给出了计算结果的三维两相分界面,速度矢量和静压等值线分布的分析,结果与经典理论分析结论一致,验证了本文数值计算方法的可靠性。本文工作为理解和掌握水环真空泵内部真实流动特性和提高水环真空泵的效率提供理论依据和数据参考。

以氮气和水为实验介质,利用高速摄像机对水力直径为1.15mm的矩形小通道内的气液两相垂直向上流动特性进行可视化研究,依次得到泡状流、弹状流、搅拌流和环状流4种典型的流型图像。针对小通道内气泡之间相互无遮掩性的优势,运用图像处理技术对流型图像分形增强,检测气泡边缘并填充后根据提出的气相体积模型,得到两相流动的含气率。结合实验数据,根据分液相reynolds数把流动分为层流区、过渡区和紊流区,并对chisholm关系式进行修正,结果表明:修正后的压降模型能较好地预测本文实验结果。

运用流场计算软件fluent,对轴流泵叶轮内气液两相三维流场进行了数值计算,分析了水气混合工况下的流动参数分布特点。通过对叶轮流道内的静压分布及含气率分布的分析,揭示了气泡在叶轮流道中的分布特征。研究发现,在不改变叶片安装角的情况下,随着流量的增加,冲角发生变化,导致气泡聚积现象从叶片的背面移到叶片工作面。此外,在叶片背面靠近轮毂处和叶片背面的轮缘处易发生气泡的聚积。

设计了一种结构简单、对加工工艺要求较低的双锥流量计,并用于气液两相流参数的测量.提取双锥流量计的差压波动信号的特征值,采用无量纲分析方法建立分相含率的测量模型,通过优化方法获得局部最佳的模型参数.在气液两相流实验装置上开展了实验研究.结果表明,所建立的分相含率测量模型可在一定的空隙率范围内对气液两相流含气率进行有效的测量.

为了获得管道充气排液过程的两相流动状态,采用vof模型对管道充气排液工况进行了数值模拟研究。模型考虑了液体表面张力、壁面粘附力,流体粘度,管壁粗糙度以及气体可压缩性效应,并采用结构化网格和自适应网格加密技术,对两相界面进行了跟踪,观察了这一工况下的气液两相混合及界面变化过程,分析了充气过程中不同时刻的管道内压力分布、气相体积分数、管流摩阻和能量交换情况,得到了这一工况下气液两相的流动特征。模拟结果也表明,在进行适当的网格划分和参数设置,vof模型可以用于非自由表面的有压流动的数值模拟。

对球形颗粒填充通道内的空气-水竖直向上两相流动流型进行了可视化实验研究。实验段填充球直径分别为3、5和8mm,气相表观流速为0.005～1.172m/s;液相表观流速为0.004～0.093m/s。实验观察得到4种典型流型:泡状流、串状流、液柱脉冲流和乳沫脉冲流,并绘制出流型图,其中脉冲流占据较大区域。通过与常规通道流型图对比发现:由于填充颗粒的影响,球床通道泡状流区域较常规通道显著减小。对比3种球床通道流型图得到:随着颗粒直径的增加,串状流区域增大;在低液相流速下,对于8mm直径颗粒,串状流可直接过渡到乳沫脉冲流。

针对并联矩形通道,基于积分法建立包括入口段、加热段和上升段的并联通道流动不稳定性模型,开发并联矩形通道流动不稳定性分析程序,并采用国内外并联通道流动不稳定性实验对程序进行验证;其次,采用计算分析程序分析并联矩形双通道系统压力、入口及出口节流等条件对矩形双通道流动不稳定性边界和系统脉动频率的影响。分析结果表明,不同压力下系统流动不稳定性边界和系统脉动频率分布重合,但对相同入口过冷度工况,随着压力增大,系统稳定性增强,系统脉动频率增大;随着入口阻力系数增加和出口阻力系数减小,系统稳定性增强,系统脉动频率增大。

为了揭示斜流式泵喷水推进器的内部流动规律,利用多重参考系法,选用标准k-ε湍流模型和sim-ple算法,对不同工况下斜流式泵喷水推进器进行了数值模拟,分析了泵内部流动与其不稳定性之间的关系及叶轮叶片表面的压力分布规律.结果表明:扬程系数ψ与q/qbep曲线在流量为0.65qbep～0.67qbep工况下出现了正斜率(q为工况点流量,qbep为最佳设计工况点流量),主要原因是导叶进口轮毂处的回流撞击叶轮出口流动,使其产生流动分离,最终形成旋涡,导致内部流动不稳定,从而使压力上升;在流量为0.65qbep和0.85qbep工况下,导叶内均出现回流,回流区域及回流速度随流量减小而增大.模拟分析说明斜流式泵喷水推进器在小流量工况下运行具有不稳定性.

针对自然循环蒸汽发生器倒u型管内流动不稳定的特点,利用无量纲分析方法建立管内流体控制方程.采用小扰动分析方法,得到倒u型管内流动不稳定的判别准则.通过对某型蒸汽发生器进行计算分析,获得判别准则随流体进口温度和弯管半径变化规律.计算结果表明:随着流体进口温度的升高,特征雷诺数增加,但是不同流体进口温度条件下特征雷诺数随弯管半径的变化规律不同.相对于流体进口温度,弯管半径对特征雷诺数的影响较小.所得结论为蒸汽发生器倒u型管内倒流管空间分布及倒流流量计算提供理论依据.

文章采用激光影像放大系统,对垂直放置的100μm×800μm矩形微通道内气液二相流流型进行了实验观测和研究,实验物系为乙醇-空气体系。根据实验结果绘制出流型转换图,并进行了分析和讨论。实验观测到弹状流、液环-弹状流、液环流、液环-分层流、分层流和波状流,而未观察到气泡直径小于微通道内径的气泡流,其中稳定的分层流文献中尚未见报道。