方形微通道内流动凝结时气液相界面演进过程的数值模拟

基于VOF模型,模拟了R32在水力直径为50 μm的方形微通道内流动凝结时的气液两相流型演进过程,模拟涉及的流型包括环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流。模拟结果显示,由于沿通道周向气液界面存在曲率差异,凝结液内部存在表面张力导致的横向压力梯度,驱使凝结液流向通道壁面拐角处,减薄通道壁面中部液膜厚度。基于势能最小原理,解释了表面张力与界面黏性力主导的喷射流形成机理。小质量流率时,喷射流诱发环状流上游气液界面波动,界面波动在界面黏性力的作用下逐渐生长。这与大质量流率时,流向下游并逐渐生长的界面波动导致流型转换的机理不同。     

宽高比对矩形微通道内流动凝结的影响

基于VOF模型,建立了模拟矩形微通道内流动凝结的三维瞬态数值模型,速度进口采用分相流模型,并考虑速度与液膜厚度的进口段效应。通过对比参考文献流型图,验证了该数值模型。对R32在宽高比分别为2:3、1:1和3:2的三种矩形微通道内流动凝结进行了数值模拟,环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流沿着计算域依次出现。通过分析通道截面气液相分布与壁面热流密度分布规律可知:当矩形宽高比偏离1:1,通道截面液膜分布不均匀性增加,Gregorig效应增强,进而强化换热。换热强化使得环状流尾部气芯的Wev和Cav减小,导致喷射流更靠近入口,伴随更低的气弹脱离频率。计算结果表明:矩形宽高比显著影响流动凝结过程,与方形通道相比,严格矩形通道更有利于换热与抑制气液界面波动。     

宽矩形硅微通道中流动冷凝的流型

对水力直径90.6 μm、宽深比9.668的矩形硅微通道中的流动冷凝过程进行了可视化研究。研究发现,宽矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠状-环状复合流、喷射流和弹状-泡状流等流型。在珠状-环状复合流区,冷凝液膜可覆盖通道竖直侧壁,而在通道长边上,仍然为珠状凝结。喷射流位置随着入口蒸气Reynolds数的增大而延后,通道截面形状对流动冷凝不稳定性也存在很大影响。喷射流之后为弹状-泡状流,弹状气泡沿程逐渐缩短,并在表面张力的作用下收缩成圆球形气泡。冷凝通道的平均传热系数将随着入口蒸气Reynolds数的增大而增大。     

小管径圆管气-液界面可视化及含气率

为了分析水平微小圆管(内径为5.16和3.14mm)内气液两相流特性,利用三棱镜改进可视化实验系统的光路设计,同时拍摄圆管内空气和水两相流型的正视图与俯视图,结合Matlab软件,修正气液界面折射的影响,获得三维气液界面、流型图及含气率。实验结果表明,小通道圆管内主要流型为泡状流、弹状流、环状流。管径尺寸对流型分界线影响较大,但对含气量基本没有影响。随管径减小,重力作用降低,表面张力作用增强,环状流在流型图上占据的比例逐渐上升。含气率随干度的增大而升高,基于三维气液界面所获得的含气率与文献公式的吻合度较好,所有数据都在公式预测值±25%误差带以内。     

毛细管内气液两相流动的CFD模拟

毛细管精馏是一种分离共沸物系的新型分离技术,它利用毛细管的固-液相互作用来改变液体混合物的汽液平衡。毛细管通道内的气液两相流型在低气速时以泰勒流为主,今使用计算流体力学方法,对毛细管内泰勒流的多种影响因素,如:壁面作用、气液速率以及流体物性等进行了研究。首先考察壁面作用的影响,发现壁面粗糙度能改变气液柱形状和流场,粗糙度增大使通道内气液两相流型由泰勒流向泡状流转变,流动状态由层流向涡流转变。模拟不同接触角下的气液流动,发现壁面吸附作用在一定程度上影响气液柱长度和气液界面间的形状。通过模拟不同气液速率下的气液流动,观察气液柱长度与气液速率之间的关系。对模拟气液柱长度进行量纲分析,得到了泰勒流的气液柱长度的关联式,将该式与文献测定值进行比较,发现在一定范围内吻合较好。     

微通道内气液(液液)二相流的实验研究进展

综述了微通道内气液(液液)二相流的流型特征.微通道内气液二相流常见的流型为泡状流、弹状流、环状流和翻腾流;液液二相流常见的流型为液滴流、塞状流、平行流及环状流.分析了不同操作条件对气液(液液)二相流行为的影响.介绍了微通道内气液(液液)二相流流型判别谱图,对常用的弹状流、液滴流和塞状流进行了重点介绍.指出了微通道内气液...     

绝热状态下板壳式换热器壳侧的流型与压降

实验研究了板壳式换热器波纹通道内垂直向上气-液两相流动的流型和压降特性，讨论了圆形波纹通道内流型特征及转变机理，根据相界面形态特征将流型划分为泡状流、弹状流、膜状流和搅混流；同时分析了流型与压降之间的关系，发现泡状流中的压降波动幅值最小，弹状流与膜状流次之，搅混流中压降波动幅值最大；获得了波纹通道内单相以及气-液两相压降的分布规律，拟合了单相压降关联式，并基于Lockhart-Martinelli理论，通过分析两相摩阻系数与Martinelli参数的关系拟合了波纹通道内两相流动压降关联式，发现Chisholm参数C的值与Chisholm最初建议的光滑管内层流-层流的值接近。     

入口流速对间断微通道内流型演变及流量分配特性影响

微通道内气液两相流动规律是影响微通道换热器换热系数和流场温度均匀性的主要因素。以N2和H2O为工质，对间断、并联矩形微通道换热器内气液两相流型的起始、发展、稳定过程的演化以及并联通道内流量分配不均匀特性进行了数值模拟研究。结果表明，不同的进口Re对微通道内流型的演变过程和流动周期有重要影响，当进口Re为450时，气相工质在均流腔内以离散的散团状形态脉动扩散至微通道中，并联通道内气相工质从弹状流型态逐渐转变为泡状流型态；当进口Re增至为1600时，气相工质在均流腔内以较连续的椭圆状型态扩散至微通道中，并联通道内气相工质从环状流型态逐渐转变为泡状流型态。通道结构还将影响并联通道间的流量分配的均匀性，间断微腔的存在使微通道内工质质量流量分布均匀性提升38.7%，通过研究通道内压力分布规律，发现通道内静压的分布不均匀是导致两相工质从均流腔进入微通道时发生不均匀分配的重要原因。     

微通道内气液两相流行为研究进展

综述了微通道内的气液两相流行为及传质特性。在微通道内流型一般分为泡状流、弹状流、环状流和弹状-环状流,没有分层流。气液传质效率比常规尺度中的提高了2～3个数量级。讨论了气泡对气液两相流的影响及其生成、生长和聚并规律。介绍了微通道内气液两相流的计算机模拟结果。从实验、理论和数值模拟3个方面对微通道内气液两相流的研究和应用前景进行了展望。     

基于流场-电场耦合的典型流型条件下双环形电极响应特性仿真研究

针对管道内气液两相流动过程中出现的不同流型,建立了耦合两相流流场与双环形电极电场的仿真模型,模拟了分层流、波浪流、段塞流、泡状流和环状流5种典型流型,获得了典型流型条件下双环形电极间轴向电流密度空间分布特性和混合电导率动态变化特性,结合理论模型和仿真数据讨论了气液两相混合电导率与液相含率之间的定量关系。研究结果表明:双环形电极之间轴向电流密度的空间分布能够刻画气液两相流的流型特征;当利用无量纲电导率计算平均液相含率时,BegovichWatson模型适用于分层流、波浪流和环状流,而Maxwell模型适用于泡状流。     

微通道分流弹状流的界面过程及压力演变规律

弹状流分流不仅能调控两相流流型从而强化传热,同时也是生物化工、制药行业的传统过程。针对壁面微通道分流液相、调控两相流型的过程进行数值模拟,获得局部参数变化规律,是获得两相流流型演变机理的基础。采用VOF模型耦合动态自适应网格精准追踪气液界面,模拟气液界面在分液口的界面运动;获得轴向及壁面静压、动压的演变规律。通过模拟可知微通道分流弹状流的关键是气弹在分液口的类活塞运动;同时由于界面拉普拉斯压力差的存在,弹状流压降具有不连续性;且此不连续压力随气弹在分液口的类活塞运动具有周期波动性。而弹状流液桥部分的局部压降是影响总压降的关键;近气弹头部的液相区压降显著,近气弹尾部的液相区域由于液速降低其压降明显衰弱;此为弹状流有别于其他两相流流型的压降特点。     

微通道分流弹状流的界面过程及压力演变规律

弹状流分流不仅能调控两相流流型从而强化传热,同时也是生物化工、制药行业的传统过程。针对壁面微通道分流液相、调控两相流型的过程进行数值模拟,获得局部参数变化规律,是获得两相流流型演变机理的基础。采用VOF模型耦合动态自适应网格精准追踪气液界面,模拟气液界面在分液口的界面运动;获得轴向及壁面静压、动压的演变规律。通过模拟可知微通道分流弹状流的关键是气弹在分液口的类活塞运动;同时由于界面拉普拉斯压力差的存在,弹状流压降具有不连续性;且此不连续压力随气弹在分液口的类活塞运动具有周期波动性。而弹状流液桥部分的局部压降是影响总压降的关键;近气弹头部的液相区压降显著,近气弹尾部的液相区域由于液速降低其压降明显衰弱;此为弹状流有别于其他两相流流型的压降特点。     

U形弯头单元内气液两相流型及压降波动特性

对空气-水两相流在内径16 mm、弯曲半径100 mm的横向U形弯头单元内向上流动时的流型进行了实验研究。利用流动可视化技术及其相应压降波动规律实现了流型的客观识别。总结了不同流型的压降波动特性并据此提出了定量识别流型的新方法。实验范围内发现了分层-搅拌流、塞状-泡状流、段塞-波形流、环状-波形流和环状弥散流等5种与水平直管和垂直直管不同的流型。相比标准偏差,压降波动的功率谱（PSD）分布能更好地反映U形弯头单元内不同流型的流态演变特征与动力学特性。PSD分布的偏度或峰度与气液表观流速比的结合可以定量客观地识别U形弯头单元内的流型,流型转变时的气液表观流速比为1和13。     

U形弯头单元内气液两相流型及压降波动特性

对空气-水两相流在内径16 mm、弯曲半径100 mm的横向U形弯头单元内向上流动时的流型进行了实验研究。利用流动可视化技术及其相应压降波动规律实现了流型的客观识别。总结了不同流型的压降波动特性并据此提出了定量识别流型的新方法。实验范围内发现了分层-搅拌流、塞状-泡状流、段塞-波形流、环状-波形流和环状弥散流等5种与水平直管和垂直直管不同的流型。相比标准偏差,压降波动的功率谱(PSD)分布能更好地反映U形弯头单元内不同流型的流态演变特征与动力学特性。PSD分布的偏度或峰度与气液表观流速比的结合可以定量客观地识别U形弯头单元内的流型,流型转变时的气液表观流速比为1和13。     

垂直管内两相流流型的实验研究

为正确预测气井井筒气液两相流动规律,在多相流实验平台上开展了不同管径(28、60 mm)和不同压力(0.10、0.50 MPa)下空气/水两相流流型实验,利用高速摄像机再现了泡状流、段塞流、搅动流和环状流的流型结构和过渡现象,绘制了实验流型图,对比了管径、压力对流型过渡的影响以及分析了环状流形成与液滴夹带的关系,在气液两相流实验的基础上,以环状流形成过程为例,从流型的物理现象着手,对环状流形成的机理进行了定义和数学建模,从而建立了产液气井两相流流型转变组合机理模型。将该组合机理模型和不同管径、不同压力下的实验结果进行对比,发现新模型均能正确预测各流型间的转变条件,具有一定的通用性。     

竖直上升气液泡状流数学模型封闭的研究

竖直上升管气液两相流广泛应用于相变传热、核反应堆等工业过程。本文以竖直上升气液两相流为研究对象,运用欧拉双流体模型,针对表观液速为0.45m/s、表观气速分别为0.015m/s和0.1m/s的泡状流数值模拟过程中的升力、壁面润滑力、湍流扩散力、气泡诱导湍流（BIT）等封闭模型,开展数值模拟比较研究。模拟发现：①低气速泡状流中,升力和壁面润滑力的同时加入能够改善壁面附近的气含率,气泡在这两个力作用下在径向上达到一个相对平衡,得到与实验气含率类似的壁面峰,模拟的液相速度较合理;低气速时,BIT的影响可以忽略。②高气速泡状流中,BIT对气-液两相流的模拟结果影响比较明显,湍动耗散源项的加入能使液速分布的模拟结果得到改善,Troshko模型相对Sato模型更能反映气泡诱导湍流对液相湍流的作用。③高气速时升力的引入使气含率产生壁面峰,加入湍流扩散力能使峰值略微降低,但仍没有解决高气速时引入升力出现的气含率壁面峰问题,说明在径向上湍流扩散力还不足以抵抗升力。     

垂直受热通道中气液两相流传热性能的研究

在垂直受热通道中气液两相流的传热是一种从单相流、泡状流、弹状流、搅拌流直至环状流的各种流型的气、液两相复杂传热。本文采用了特制的实验研究设备,以水及其蒸汽为介质,研究了各种流型的传热特性及其影响因素(进料质量流速、热通量以及干度等),探讨了成膜条件,并用J.C.Chen双机理传热模型计算、分析了在不同情况下各机理对传热所起的作用。     

微反应器内CO2解吸过程流动行为及气提强化

研究了微反应器内N-甲基二乙醇胺溶液解吸过程的流动和气提强化行为。观测到解吸过程中气-液两相流型主要有泡状流、弹状流、环状流和细环流。高温时,流型交替演化将导致气泡速度波动。气提促进强化CO_2解吸过程的结果表明,低溶液流量时,少量惰性气体就可显著提高CO_2解吸速率;大惰性气体流量将缩短停留时间,经计算解吸强化效率,确定了解吸过程的最佳气提流量。     

起伏振动水平管气液两相流型及转变机理

起伏振动下气液两相流型的准确判定对漂浮核电站参数设计有重要意义。对起伏振动水平管气液两相流型特性进行实验研究,定义了起伏振动新流型并得到了气液相分布变化规律,揭示了管径、振频和振幅对流型转变界限的影响规律,建立了泡状流-间歇流和间歇流/分层流-环状流的转变关系式。结果表明,在起伏振动下水平管内出现泡状流、间歇流、分层流以及环状流四种流型,其中间歇流包括泡-弹间歇和弹-塞间歇两种,且气液相分布随振动位置的变化呈规律性改变。在气相折算速度不变的条件下,管径、振频、振幅增加会使泡状流-间歇流边界向上移动,间歇流-分层流边界向下移动。在液相折算速度一定的条件下,管径、振频、振幅增加会使间歇流/分层流-环状流边界向右移动。考虑了振动的影响,建立适用于低频高幅起伏振动的间歇流向泡状流与环状流转变模型,预测和实验结果的相对误差绝对值的平均值分别为7.62%和12.68%。     

气液两相流差压测量波动信号的符号序列统计分析

将符号时间序列分析方法应用到两相流测量波动信号分析，并讨论了关键参数对符号统计量影响问题。在此基础上，利用垂直上升管中采集到的80组气液两相流差压动态波动信号，提取了时间不可逆转性Tfb及χ2fb统计量。当气相表观速度小于002 m·s-1时，随着气相表观速度增加，泡状流随机可变的运动特征逐渐加剧，其动力学特性变得相对复杂；当气相表观速度大于002 m·s-1时，在流型从泡状流向段塞流转变过程中，随着气相表观速度增大，流型演化的动力学特性逐渐变得相对简单；在流型从段塞流向混状流转变过程中，随着气相表观速度增加，混状流的动力学特性逐渐变得愈加复杂。研究结果表明，时间不可逆转性Tfb及χ2fb统计量两个符号是表征气液两相流流型的敏感特征量，考察这两个统计量随两相流流动参数变化规律有助于更好地理解两相流流型动力学特性。