对流梯形微通道内气液两相流动的数值研究

采用VOF方法,对梯形微通道内不可压缩气液两相流动进行了数值模拟研究,详细分析了气泡形成过程,以及当量直径、截面形状、液体表面张力和粘度等对气泡液柱形成过程和长度的影响,拟合出微通道气泡液柱长度计算公式。结果表明:气泡液柱的长度受表观气速和表观液速的影响较大;表面张力对气泡尺寸的影响较小,当液体粘度增加为水粘度的10倍时,形成的气泡形状不规则。增大表面张力,形成气泡的时间增加;增大粘度,形成气泡的时间减小。     

细通道内气液段塞流的流体力学数值模拟

为研究细通道内气液段塞流的流体力学性质,对细通道内空气和水两相段塞流进行了数值模拟。以直径为1.6 mm的错流T型管为模型,使用计算流体力学(CFD)研究了气液流速、液相粘度和表面张力以及入口结构对段塞形成的影响,确定了气塞长度与两相流率、液相粘度和表面张力有关。气塞长度随分散相流率和表面张力的增大而增大,随连续相流率增大而减小;液相粘度在低液速时对段塞长度有较大的影响;确定了段塞形成的挤压和剪切关联式。     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

T型微通道气液两相流流动与传热的数值研究

为进行微通道气液两相流动及传热研究,建立了T型微通道模型,利用VOF方法进行数值模拟,对弹状流流型进行了数值分析,考察了弹状流的形成过程、速度、表面张力和粘度对弹状流流型的影响,计算了气泡速度和液膜厚度,并与经验关联式进行比较。结果表明:液体粘度对弹状流的影响较大;而表面张力对弹状流几乎没有影响,当气速一定时,液速越大,气泡的长度越小而液柱的长度越大。气泡速度和液膜厚度与经验关联式的计算结果误差分别为2.57%和4.87%。     

微针肋气液两相流动及压降研究

本文以氮气和去离子水为工质,对微针肋热沉两相流动形态及压降特性进行了初步研究。结果发现低气液流速时表面张力作用明显占优,气泡在肋之间存在时间不一的停滞现象;随着液相流速的增加,由于表面张力所起作用的变化以及两相流型的转变,试验所得分相模型系数C的分布,发生了两次明显转变;考虑当量直径影响的M-H分相模型对试验值预测效果最好,平均偏差只有9.27%,液相流速很小时,L-Mu模型效果较好。     

同向流动微气泡产生与分裂的实验研究

本文使用高速CCD可视化技术研究硅微通道内气液等温同向流动微气泡形成过程.作为离散相的空气和连续相的水,流经各自通道后汇聚在主通道前段;在一定的流量比值范围内,连续产生大小均匀的微气泡;发现存在bubbling和jetting两种微气泡形成模式.气泡产生频率随空气和水的流速增大而增加.最后研究了气泡在T型微通道出口处的行为,观察到分裂和不分裂两种形式并进行了分析.     

T型正弦微通道内气液两相流动的数值研究

在T型微通道的基础上,对其结构进行改造,提出了一种T型正弦波节微通道,并构建了微型气液反应装置。运用CFD方法,数值研究了微通道内的气泡形成过程及气液分布情况,拟合出了计算T型微通道内气泡液柱尺寸的关联式。结果表明:T型正弦波节微通道内的气泡形成机制与常规T型微通道相同,为挤压机制,颈部断裂过程经历的时间较常规T型微通道稍长。该结构类型的正弦波节微通道与常规平直圆管相比,当量直径增大了50%,气液接触面积相应增大了25%,有效地提高了传质效率。     

微通道内气液Taylor流网格局部加密数值模拟

采用VOF模型和局部非均匀加密的网格划分方法对交错T型微通道内Taylor流进行了数值模拟。模拟结果表明,较之常见的均匀加密方法,局部非均匀加密方法使得计算时间节省,并且实现了对气液两相界面的精确捕捉,利于后期的对液膜厚度对传热等方面的数据处理分析。此外,还研究了接触角和毛细管数对流型的影响。θ90°时,气泡和液柱长度与接触角呈凹函数关系,但总体影响较小。但当θ90°时气泡生成周期会明显增大。同时,通过观察液膜还发现毛细管数越大液膜越厚。     

物性对电场下单气泡行为的影响

对电场作用下单气泡行为特点的研究有助于分析电场强化沸腾换热的机理.在本文中,利用VOF方法研究了气泡在直流电场下从壁面上升的过程,分析了液相相对介电常数及气液表面张力系数两种物性对单气泡行为的影响.研究发现,随着液相相对介电常数的增大,气泡脱离时间缩短,变形增加,内部对流增强.气液表面张力系数的增加能够延长气泡的脱离时间,但对气泡形态及内部流场的影响较弱.     

微通道内沸腾流动与传热特性耦合机理研究

以水为工质，模拟研究不同条件下水平矩形微通道沸腾流动过程中气泡发生发展及流型演变与温度、压力、传热系数的耦合关系。结果表明：持续吸热的弹状流会占据通道大部分流动区域，易造成堵塞和局部高温；泡状流区域压力波动幅度较小，较长弹状气泡和大雷诺数均会导致较大的局部压降；升高热流密度减小了单相区长度，强化了核态沸腾，提高了通道整体传热性能；增大雷诺数使得通道内气泡尺寸减小，减少了两相流动的不稳定与堵塞现象，通道整体传热性能得以提升。     

螺旋轴流泵内气液两相流型可视化研究

以一台自主研发的螺旋轴流泵为研究对象,以水和空气的混合物为介质,采用高速摄影技术,研究了不同工况下泵入口段及第一级叶轮内部的气液两相流型。研究发现:入口段气液两相流型为均匀的泡状流,气泡直径随入口含气率的增加而增大,随转速的增加而减小;随着入口含气率的逐渐增加,叶轮内分别出现了孤立的气泡流、泡状流、气囊状流及乳化状流;气囊出现在叶片压力面约2/3弦长的位置,且紧贴着叶轮轮毂;出现气囊状流时,泵的性能下降最为明显;出现乳化状流时,随着含气率的增加,增压性能下降趋于缓慢。     

矩形微通道内两相流流阻压降特性的可视化研究

以去离子水和质量分数为0.3%的水基纳米流体为工质,在当量直径为1.241mm的矩形微通道内进行了两相流流动沸腾的实验研究,并借助高速摄像仪对矩形微通道内流型随着质量流量及热流密度的变化进行了观察分析。实验结果表明:单位长度上的两相摩擦压降会随着质量流速的提升而提高;单位长度上的两相摩擦压降会随着热流密度的增大而升高;减小质量流速和提高其热流密度均会加快气泡的产生并提高气泡的脱离直径,当热流密度增大到一定程度时,通道内几乎为环状流与液态单相流交替出现,且环状流占周期中的较长时间。     

气泡雾化喷嘴喷雾平均直径在下游流场中的分布

文利用激光衍射粒度仪对气泡雾化喷嘴下游流场进行了实验研究,主要分析了雾化颗粒直径随径向和轴向距离变化的趋势．由于喷嘴出口处气液两相流型和颗粒自身重量的影响,液雾颗粒沿径向呈现非轴对称分布;而液雾颗粒直径随着轴向距离的增加呈现先减小、后增大的趋势,颗粒直径的减小是大量气泡爆炸的结果,而后的增加则是由于颗粒之间的相互粘结造成的。     

表面活性剂对倾斜上升气液两相流流型的影响

应用电导断层测量技术研究表面活性剂添加对倾斜上升气液两相流流型的影响,实验工质为空气/水、空气/100 mg/kg十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液。结果表明,当倾角较小时(2.5°和5°),添加少量纯度为95％的SDS到空气/水两相流系统,可以推迟了分层流型向环状流型的转换,使其发生在较高的气体流速条件下;与水平流动的实验结果类似,在本文的实验条件下没有观测到表面活性剂对塞状流型、弹状流型转换特性的影响。随着倾角的增大(10°),表面活性剂添加对气液两相流流型的影响更为显著,在空气/水气液两相流系统中没有观测到分层流动,而加入表面活性剂后在一定范围内存在分层流动。     

集输管路上升管系统严重段塞流实验和理论模拟

严重段塞流的实验研究表明,在气泡进入上升管底部到运动至出口的过程中,上升管中气泡头部以下流型为弹状流型;当气泡头部流出上升管后,上升管中的流型可看作块状流型。根据实验结果,本文提出了采用漂移流模型简化计算上升管中两相流动、上游管道中气体膨胀满足质量守恒,同时考虑上升管内液体动量守恒的严重段塞流计算模型。计算值与测量值比较表明,模型可以正确预测出气体膨胀流动过程,气体流动时间不受入口气液流量的影响。模型可以准确计算出严重段塞流周期、液塞长度和倾斜管中液柱最大长度等参数。     

Y型微通道气液两相流的数值模拟

针对Y型微通道气液两相流的数值模拟,建立了适用于微通道气液两相流的计算模型,采用CFD方法对微通道内流体的流动进行了数值研究,分析了微通道内流动状态、气泡形状以及生成周期,模拟了Y型微通道气液两相流弹状流的形成过程,并对弹状流的压力、速度、壁面剪切应力的分布、变化趋势及原因进行了深刻剖析,揭示了弹状流流动规律,为进一步加强弹状流应用打下基础,为微通道中的气液两相流动提供了可靠的理论依据。     

微重力条件下90°弯管气液两相流型研究

本文报道了微重力条件下90°弯管内气液两相流型实验结果。弯管内径12.7 mm,弯曲半径76.5mm,气、 液两相表观流速分别为1.0—23.6 m/s和0.09—0.5 m/s。本文分析了观测到的弹状流、弹-环过渡流和环状流的典型特 征,比较了与微重力直管内相应流型间及常重力弯管两相流型间的异同。     

气泡初始尺寸对泡-弹状流型转换的影响

本文对气液两相泡状流向弹状流转换的机制进行了分析,认为气泡合并是影响该流型转换的主要机制,并据此用随机数值模拟方法,对气泡初始尺寸对泡状流向弹状流转换的影响进行了研究。计算结果表明,无量纲气泡碰撞率是一条通用曲线,根据该曲线可以确定气泡初始尺寸产生影响的区域及其大小,与实验结果的比较令人满意。     

微流控系统表面张力和黏度在线测量

微流控系统中界面流体界面张力和黏性作用力对传热、压降以及临界热流密度(CHF)起主导作用,由于流体物性在两相流系统中对环境参数非常敏感,因此对微流控系统界面张力和黏度的在线测量非常重要。本文提出了表面张力和黏度快速在线测量的新方法.该方法基于Taylor流在微通道中的流体动力学,通过液膜厚度的测量及其与流体物性间的理论关系式,对冷却工质FC-72及乙醇和水液体混合物的的动态表面张力和黏度进行了计算,并与文献参考值和理论模型做了比较,证实该方法可以得到可靠的表面张力和黏度结果。该方法具有样品耗量小、动态及在线测量优点,实现了微通道两相流动和物性测量的结合。     

微通道气液同向流动中气泡射流特性

利用高速CCD成像技术,本文研究了梯形横截面微通道内的气泡喷射流动.通过调节同向流动时空气和水流量,研究了气泡形成的大小和频率等变化特性;以及微通道内的流型变化.实验结果表明,气泡喷射频率随空气流量的增加而增大,同时随水流量的增加而上升,且上升幅度渐趋平缓.