竖直窄矩形通道内弹状流中液膜特性研究

气液两相弹状流广泛存在于工程领域,弹状流中液膜特性对弹状流模型的建立具有重要意义。为此利用高速摄像系统,对竖直窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内弹状流中液膜进行了可视化研究。实验中发现窄矩形通道中气弹左右两侧窄边液膜厚度不等且存在波动,但其对两侧液膜速度影响较小,两侧液膜速度相等。液膜脱离厚度主要受两相流速及气弹长度影响。液膜脱离速度随液相折算速度增加而增大;在低液相流速时,随气相折算速度增加而减小;当液相流速≥1.204 m/s时,液膜不下落,液膜脱离速度随气相速度变化较小,主要受液相流速影响。     

棒束通道内环状流气液界面行为及形成机理研究

棒束通道中环状流气液界面行为的研究，能为压水堆的事故处理和沸水堆电厂的正常运行提供数据和理论支撑。本研究针对3×3棒束通道中环状流气液波状界面形式进行记录与分析，绘制详细的环状流流型图，并针对其形成机理进行分析。结果表明：棒束通道中的环状流主要有搅混型、未全润湿、平滑边界型、单一波状流、包状扰动波、带状扰动波和带状扰动波叠加液相丧失7种形式；单一波状流是当气相速度较高、液相速度较低时，气液界面上发生的有固定波峰和波谷、以固定速度向上运动的流动形式，其现象可通过Kelvin-Helmholtz型不稳定性理论来解释；当液相流量升高或气相流量减少时，发生单一波状流界面失稳，界面能量增加，进入到包状扰动波或带状扰动波阶段；当能量超过1.6 kPa²/Hz时，界面能量超过底层液膜束缚能力，产生液相丧失型环状流。     

环状流液膜界面扰动波湍流诱导形成机制研究

为探明环状流液膜界面扰动波形成机制,以准确预测液膜质量输运和干涸（Dryout）型临界热流密度特性,本研究通过将高速摄像与液膜厚度电导传感结合的方法,分别对液膜界面波的演化行为和液膜厚度进行定性可视化分析和定量测量实验。结果表明,高湍动的气芯与液膜的相互作用在液膜界面上形成毫秒级不规则演变的涟波,高频涟波先驱经过一系列秒级自卷积演化成随机分布的扰动波;扰动波形成机制的数学模型表明,液膜界面扰动波的形成时间间隔符合伽马分布,伽马分布阶数与气相速度正相关但独立于液相流速。      

波形板壁液膜破裂实验研究

设计并搭建了横掠气流下波形板壁液膜破裂可视化研究的实验台架,研究不同液膜厚度下气流速度与液膜破膜速度之间的关系。通过改变液膜流量和气流速度获得不同液膜厚度条件下的临界破膜速度,并利用高速摄像技术对液膜破裂行为进行研究。结果表明,液膜的破裂与气流速度、液膜厚度有关,两者呈负相关性;无量纲分析表明液膜的惯性力和气流剪切力是导致其破裂的不稳定性因素,而壁面粘性力和液膜表面张力则是抑制液膜破裂的稳定性因素;液膜在临界气流剪切力作用下发生破裂的破口是从波形板的屈折角(凸角)开始的,而且液膜可以以不同的形式被卷入到气流中,液膜破裂形态与液膜厚度有关。     

波形板汽水分离器内分离效率的影响因素分析

基于壁面液膜模型,进行无钩波形板汽水分离器内液膜生成情况的三维数值模拟,模拟中采用Realizable k-ε模型和壁面液膜模型对波形板内的气相和液相进行数值模拟计算,根据模拟结果分析波形板内的分离效率。研究结果表明：在不改变波形板的结构和不考虑二次携带的前提下,随进口速度或液滴直径的增加,壁面形成液膜面积和高度增加,分离效率也随之提高。当进口速度和液滴直径一定时,液膜高度和面积随蒸汽湿度的增加呈先增加后减小的趋势,当湿度达到10%时,液膜高度和面积达到最大,分离效率最佳。     

波形板干燥器内壁面液膜破裂临界条件的实验研究

对波形板干燥器发生二次携带现象的临界条件进行了实验研究。结合可视化实验台和平面激光诱导荧光法对波形板干燥器通道内壁面上自由下降液膜厚度进行了测量,并拟合了液膜厚度与液膜雷诺数的经验关系式,在此基础上研究了发生二次携带的临界条件。研究结果表明,横截面上下降液膜厚度不均匀,随液膜流量的增大,横截面液膜高度的极大值从边缘两侧逐渐向中心区域移动,液膜横截面的平均厚度随液膜下降而逐渐增大,且导致壁面液膜破裂的风速随液膜厚度的增大而减小。     

竖直波形板折角处液膜破裂研究

通过对曲线坐标系下2维边界层的纳维-斯托克斯（N-S）方程与连续性方程的推导，并结合定义无量纲量的方法，建立了液膜破裂模型，得出了一种波形板折角处的液膜临界破膜速度的理论计算方法；开展了液膜破裂实验研究，利用平面激光诱导荧光技术与图像处理方法分析了临界破膜速度与液膜厚度的关系。实验与模型计算结果均表明:波形板折角处的临界破膜速度与液膜厚度呈负相关关系；当液膜厚度相同时，波形板临界破膜结构参数越大，其临界破膜速度亦越大，利于气水分离效率的提高。      

液相粘性对旋叶式分离器壁面液膜界面不稳定性的影响

对液相粘性条件下的旋叶式分离器壁面液膜稳定性进行研究。通过对粘性条件下液膜界面的受力和运动特性的分析,获得旋转流场中的气液界面动力学和运动学边界条件。利用势函数对动量方程和连续方程进行线性化处理,结合边界条件,建立粘性条件下的液膜界面色散方程,获得液膜界面稳定性的判定准则。结合液膜运动规律模型,编写液膜界面稳定性计算分析程序,对粘性条件下界面稳定性进行了分析,获得了液相粘性对旋叶式分离器内部液膜稳定性的影响规律。     

窄空间流道内两相流动压降及流量波动特性的实验研究

窄小流道内的两相流动压降不同于常规流道,在窄小空间内的受限气泡行为对流动稳定性有着重要影响。本文在1个标准大气压(0.101 MPa)下,对内径为2 mm的窄小流道内气-液两相流动进行可视化实验研究。实验在不同工况参数和气相工质下展开,其中气相工质包括氮气、空气、二氧化碳和氩气,液相工质为水。研究发现,在给定气相体积流量下,压降随液体质量流速增大而增加,对应的气-液界面形态均为拉长型气弹;而在给定液相质量流速下,压降随气相体积流量增加不成线性关系,是先减小后增大,对应的气-液界面形态仍为拉长型气弹。     

加热面朝下的池沸腾汽泡动态行为研究

基于Matlab软件开发了自动识别气液两相流界面程序,程序可获得气液界面变化、汽膜厚度、汽膜脱离周期和汽膜法向速度等特征。利用该程序对沟槽结构加热表面朝下布置时,在不同倾角、不同热流密度下的汽泡动态数据进行了处理和分析。结果表明：加热表面朝下发生核态沸腾时,汽膜厚度随热流密度的增大而增大,汽泡脱离周期随热流密度的增大先减小,而后维持在一稳定值;汽膜脱离周期随倾角的增大而减小,倾角为5°时的汽膜脱离周期稳定在0.27 s左右。当发生沸腾危机时,汽膜厚度迅速减小,这可作为动态监测加热表面沸腾状态的依据。     

竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究

对冷态降液膜在大平板上的流动特性进行了实验研究,运用电容式精密测微仪测定垂直降液膜的厚度,考察了在无蒸发情况下雷诺数对降液膜厚度和流量对液膜覆盖率的影响规律,得到平均膜厚经验关系式,并认为液膜在达到临界膜厚后,随流量增加只会使覆盖率增大而厚度几乎不变,发现同流量下接触角较小的平板上液膜覆盖率较大。     

不同壁面特性下液膜铺展性能数值模拟

液膜在安全壳表面的流动铺展性能对非能动安全壳冷却系统有重要的影响。采用三维数值模拟方法研究了降膜板表面形貌、接触角与液相雷诺数对液膜铺展性能的影响,并将结果与前人的实验和理论结果对比,吻合良好。研究发现,当降膜板为横向波纹板时液膜完全铺展时间、液膜厚度及界面湍动程度明显大于平板与纵向波纹板,此时波纹板波谷处会有循环流动产生。随接触角的增加或液相雷诺数的减小,液膜逐渐从完整流转变为片状流、溪流、滴状流。在纵向波纹板对液膜的导流与撕裂综合作用下,随接触角的变化,液膜的铺展性能与平板相比也发生较大的变化。     

可变液膜厚度下垂直塞状流参数预测模型

基于流动机理的分析建立了塞状流参数预测模型;模型中考虑了液膜的厚度变化.分析了液膜厚度变化对预测结果产生的影响,并用公开发表的数据对模型进行了验证.分析表明,若忽略液膜厚度的变化,将Taylor泡简化为圆柱体,会使其长度的预测值偏小,导致压力梯度的预测出现正偏差,且偏差会随气相表观速度的增加而增大.新建模型反映了液膜的流动特性,可对不同来源的数据进行较为准确的预测.     

竖管内蒸发降液膜流动的不稳定性分析

引入能量分析方法，探讨流动的惯性力、气液界面和管壁界面上的表面张力对波动薄液膜的作功机制，从物理上解随液膜流动雷诺数及拢动波长的拉以及液膜波动加剧的规律。分析表明：液膜蒸发条件下的热流率增加造成壁面毛细吸附力维持液稳定的作用降低是导致液膜断裂的主要原因。     

摇摆状态下气液两相流流型转变的实验研究

通过可视化观察和数码照片对摇摆状态下光滑有机玻璃管内气液两相流流型进行分类和定义,并分析了不同管径、摇摆角度以及摇摆周期对流型之间转变的影响.结果表明:在液相折算流速一样的情况下,管径增加、摇摆周期缩短或摇摆角度减小会使得环状流形成需要更高的气体折算流速;弹状流向搅混流转变所需气相流量则随着管径的减小、摇摆周期的增加或摇摆角度的减小而增加.而在气相折算流速一样的条件下,管径增加、摇摆周期缩短或摇摆角度增大会使泡状流产生需要更高的液相流量.     

窄矩形通道弹状流中液弹特性研究

气-液两相弹状流广泛存在于核动力工程中,弹状流中液弹特性对弹状流模型的建立具有重要意义。利用高速摄像系统,对竖直窄矩形通道内弹状流中液弹特性进行可视化研究。研究结果表明,窄矩形通道中稳定液弹可分为3个区域:先导气弹尾流区、主流速度分布恢复区和稳定速度分布区。先导气弹尾流区形成机理为先导气弹尾部液膜壁面射流过程。气弹在液弹中所处区域对其特性影响显著;主流为层流及过渡流态时,尾随气弹特性受先导气弹影响显著。在充分发展湍流工况下,液弹中近壁面处轴向速度趋于稳定所需距离等于最小稳定液弹长度Lmin;Lmin随气弹长度增加而增大,随两相雷诺数增加而减小,其变化范围为9 Dh~17Dh。     

水平窄矩形通道内空气-水两相流动中气弹运动特性研究

气弹速度和液膜厚度作为弹状流工况下的关键参数,在传热分析和力学分析中具有重要意义。本文以空气-水为介质,采用高速摄影机和印刷电路板式（PCB）液膜厚度传感器,对高1.9 mm×宽68 mm的水平窄矩形通道内气弹运动特性进行研究。液相雷诺数（Rel）<2500,矩形通道内为层流区;Rel≥2500,矩形通道内为湍流区,基于气-液两相混合速度分别拟合了气弹运动速度的预测关系式,结果表明,层流区分布系数（C0）可采用Ishii关系式计算且漂移速度为0;而湍流区C0为1.0。当气弹雷诺数（Reb）<3100时,气弹底部液膜厚度（δb）随毛细管数的增大而增大;而在Reb≥3100时,δb表现出波动性。现有的δb预测关系式不适用于窄矩形通道,在考虑通道高宽比的影响下提出了一个新的δb预测关系式,对文献中210个数据进行了验证,预测误差均在±20%内。     

窄流道内弹状流和液膜特性的数值模拟

基于流体体积函数( VOF)模型,对矩形窄流道中不同液相流速下泰勒气泡及周围流场特性进行分析.结果表明,无量纲气泡速度随毛细力数(Ca)变化关系与垂直方形流道实验结果符合较好.壁面切应力在气泡长度方向上不断变大,直到进入尾流区,产生强烈的无规则变化.随着液体质量流速的增大,泰勒气泡变得更尖锐,液膜厚度变厚,但壁面切应力...     

大平板上液膜冲击附板行为的数值模拟研究

利用FLUENT内的EWF模型对大平板上液膜冲击附板时发生的一系列流动行为进行了三维数值模拟研究。分析了不同工况下大平板上不同流量下降液膜冲击不同宽度和厚度附板后的液膜损失,并对比了一定高度返回槽收集水量的实验值和模拟计算值,两者吻合程度较为良好。分析了液膜冲击附板的流动行为的4个过程,并通过分析附板尺寸和液膜流量对液膜冲击附板行为的影响,得到了液膜损失率与受附板高度影响的液膜溅射空间数和液膜冲击附板时的韦伯数之间的关系,发现EWF模型在模拟降液膜冲击不同焊缝高度的附板时存在不足。     

钍基核能系统熔盐泵液下轴承偏心率对支撑特性的研究分析

随着钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System,TMSR)由实验堆向研究堆、示范堆及商用堆发展,其轴系演变为由液下轴承支承的细长柔性转子结构。高温熔盐泵是钍基核能系统的主要动力部件,是TMSR的心脏设备。熔盐泵的运行稳定性和可靠性取决于液下轴承的支撑特性。本文采用数值模拟对液下轴承进行理论计算分析,并结合试验研究了不同偏心率对液下轴承支撑特性的影响。结果显示:随着转速增大,液下轴承的偏心率不断减小;随着偏心率的增大,液下轴承支撑的正交刚度和阻尼不断增大,交叉刚度和阻尼的数值也不断增大,液下轴承的最小液膜厚度不断减小。当偏心率大于0.6时,由于最小液膜厚度较薄,液下轴承的压力以零和零梯度结束。此时液下轴承在实际运转中存在液膜失效导致液下轴承磨损严重,此结果在试验中得到了验证。本文研究成果为超高温长轴熔盐泵液下轴承的设计提供了理论指导和试验数据支撑。