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%。     

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。     

水平管内气液两相流中单气泡形态特征实验研究

本文利用双平行探针技术和摄像方法对水平直管内气液两相流中单气泡的形态特征进行了实验研究。实验结果表明气泡头部和气泡体的形态特征取决于气液混合Fr数,而气泡的尾部特征还与气泡长度有关;气泡的头部结构特征决定气泡的移动特性,而气泡的尾部结构特征决定气泡向液塞区的充气特性:小气泡通过单纯水跃面的气泡尾部向液塞区弥散,而具有阶梯状尾部结构的气泡并不向随后的液塞区弥散小气泡,所以气泡尾部的结构特征的变化决定了弹状流与段塞流的转变。     

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。     

方管两相流中微液膜的测量与分析

在微通道流动沸腾换热中,微液膜的蒸发对其起到了至关重要的作用,本文探究了0.6 mm方管在气液两相流条件下的液膜厚度变化,实验通过激光共聚焦位移计测量液膜厚度和高速相机采集图像,实现了同步测量。实验发现,当气泡速度小于1.27 m/s时,液体会集中在方管的四角,不会形成液膜;当气泡速度为1.21～2.71 m/s时,会在管壁形成液膜,液膜的变化呈阶梯式,并且随着气泡速度增大而增大;当气泡速度大于3.21 m/s时,流型会转变为环状流,液膜厚度会开始出现振荡。     

倾斜上升管内气液两相弹状流壁面传质特性研究

采用VOF模型对倾角为45°、80°、85°三种情况下倾斜上升管内弹状流的壁面传质特性进行了研究.传质特性通过其与壁面切应力的类比关系来体现.数值模拟结果表明,低混合物流速时,上管壁面切应力在液膜区有明显波动,而下管壁面切应力分布则比较光滑.随着混合流速的增大,液膜区上下壁面切应力分布趋于一致.管子下壁面切应力平均值大于管子上壁面,在Taylor气泡运动速度较低时较为突出.随着Taylor气泡速度的增大,管子上下壁面的切应力平均值趋于相同.相同的混合流速下倾斜角度越大,上下管壁的切应力分布越趋于近似.下降液膜区的壁面切应力平均值大于Taylor气泡尾迹区域.根据Chilton-Colburn的类比关系,壁面切应力的规律完全适用于壁面传质系数.     

气液两相流压力波色散特性实验研究

设计了可调频式压力扰动源的气液两相流压力波实验装置,实验研究了垂直上升管内气液两相流泡状流、弹状流压力波的色散规律。实验结果表明,对泡状流,在实验范围内,压力波的传播速度及其衰减跟扰动频率有关,随着扰动频率的增加,波速及其衰减都增加;工质的流速对压力波的色散特性没有影响。结合数值模拟结果,验证了泡状流压力波色散特性的临界频率现象,即高于临界频率,压力波色散特性消失,本文分析了相应的物理机制。对弹状流,压力波同样具有典型的色散特性,已有研究结果还不能预测其色散规律。     

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。     

SMBR内流体力学特性实验和数值模拟研究

本文基于粒子图像测速(PIV)技术,在不同的曝气强度下对膜面附近的流体力学特性进行了实验研究,结果表明:在一定范围内增加曝气强度可以使得膜面液相速度增加,并应用Euler多相流模型和多孔介质模型耦合对实验结果进行验证。同时本文将气泡羽流的概念应用于SMBR内复杂气液两相流场的研究,并应用气泡羽流分区研究反应器轴向液相速度的变化趋势:液相速度在羽流形成区呈现出先明显增加,而后在羽流形成后区相对较稳定增加,到达表面流区液相速度有所降低,而且极不稳定.结果表明模拟结果与实验结论具有很好的吻合性。     

气泡行为对旋流分离器分离效率的影响

首先运用高速摄像对气液旋流分离器内的气泡动力学行为及气核运移规律展开研究,并对摄取的图像进行处理。研究发现,气泡之间的聚并和破裂过程分别分为三个步骤。1)聚并过程：气泡碰撞,液膜挤压变形;液膜发生融合并向外排液;新气泡形态趋于稳定。2)破裂过程：气泡受力变形;受力处液膜发生凹陷直至破裂;新液膜的形成和封闭。其次,对旋流器锥段按照气泡直径分布和主要流型进行区域划分,共划分为3个区域,其中,Ⅰ分区为气泡的径向截面直径不超过3 mm的点、丝状气泡流、Ⅱ分区为细长颈气泡的径向截面直径不超过5 mm的液节流、Ⅲ分区主要流型为柱状气泡的径向截面直径大于5mm的环状流。Ⅱ分区相对Ⅰ分区气泡聚并和破裂频率更高。再次,通过研究气核相对位置与分离效率之间的关系,对旋流器分离性能进行了预测,预测误差小于3.5%。     

水平管液塞卷吸气体实验

设计建造了研究段塞流中液塞卷吸长气泡尾部气体现象的实验装置,实验段由水平布置的有机玻璃管组成,内径50 mm.长气泡下的液膜高度由挡板控制,从而生成液塞进行测量.提出了一种液塞气体卷吸率测试方法,根据停气后液塞运动与长气泡中气体质量守恒来确定气体卷吸率,实验数据与文献很好相符.结果表明气体卷吸率与上游液膜Fr数有关,而...     

水平管液塞长度与频率的跟踪模型预测

采用电导探针在133 m长水平管道上对空气-水段塞流的液塞参数演化特征进行了实验研究,得到了液塞长度、频率统计分布沿管道的变化规律。实验观察到最小稳定液塞长度大约为15D,提出了新的长气泡尾流效应关联式。采用改进的跟踪模型研究了液塞长度等参数沿管演化过程,模型中采用了提出的尾流效应关联式,管道入口液塞长度随机变化。验证表明,模型较好预测出平均液塞长度、最大液塞长度、平均液塞频率等参数。     

High Speed Visualization and Dynamic Measurement of Heat Driven Pumps

We provide the high speed flow visualization and dynamic measurement results for the U-shaped and the inverted U-shaped heat driven pumps. The U-shaped heat driven pumps at the high heating powers consist of a succession of tiny bubble nucleation, growth and coalescence process. Once the “larger” spherical bubble or the bubble slug forms, it expands quickly in both upstream and downstream directions. The increased pressure leads to the liquid discharge through the outlet check valve. When the advancing vapor/liquid interface reaches a higher position in the vertical discharge branch, the condensation heat transfer in the discharge branch shrinks the bubble slug, leading to the decreased pressure and initiating the open of the inlet check valve. Thus the fresh liquid can be sucked into the system. Heat driven pumps operating at the low heating powers display the similar process. However, two major differences are identified: (1) A full cycle includes a set of positive pressure pulses corresponding to a set of tiny bubble nucleation, growth and coalescence process in each substage. Only at the end of the cycle, an apparent negative pressure pulse is created. (2) For each substage in each cycle, when the newly formed bubble slug is chasing the ahead “old” bubble slug, the deformed liquid bridge is formed due to the gravity force effect. When the two bubble slugs are merging together, a wave vapor/liquid interface occurs along the bottom of the capillary tube. For the inverted U-shaped heat driven pumps, there are fewer positive pressure pulses included, corresponding to lesser number of new bubble nucleation, growth, and coalescence process. The bubble slug in the capillary tube is very standard with the smooth vapor/liquid interface. The cycle periods and the pumping flow rates are given versus the heating powers.     

两相流流型动力学特征多尺度递归定量分析

基于垂直上升管中测取的气液两相流电导波动信号,采用递归定量分析方法,从多尺度角度研究了气液两相流泡状流、段塞流及混状流三种典型流型的动力学运动特征.研究结果表明,低频泡状流及混状流在递归图表现为沿对角线方向比较发育的混沌递归线条纹理特征,表明了低频运动的泡状流及混状流具有较好的确定性运动行为,而随着泡状流及混状流运动频率增加,混沌递归特征变差,其运动特征逐渐向随机方向发展.对于段塞流,在混沌递归图上逐渐呈现间歇的矩形块纹理结构,且段塞流中液塞与气塞的间歇运动特征出现在高频段,而段塞流中的泡状流运动则出现在低频段上,且随着泡状流运动频率增加,泡状流逐渐失去确定性运动行为.表明了基于电导波动信号的多尺度非线性分析方法是理解与表征气液两相流动力学特性的有效途径. 关键词： 两相流 流动特性 多尺度分析 递归分析     

两相流流型多尺度熵及动力学特性分析

研究了几种典型非线性时间序列的多尺度熵特征,在此基础上分析了由插入式阵列电导传感器采集的144种流动条件下的垂直上升气液两相流电导波动信号.研究结果表明：利用小尺度下样本熵的变化速率特征可以分辨三种典型流型（泡状流、段塞流、混状流）,而大尺度下样本熵的波动特征可以反映各种流型的动力学特性.泡状流随机可变特性表现为大尺度下样本熵的高值及振荡特征;段塞流气塞与液塞的间歇性运动表现为大尺度下样本熵的低值及平稳性;混状流极不稳定的振荡运动特性表现为介于泡状流及段塞流之间的熵值特点,并在更大尺度时熵值逐渐接近泡状流 关键词： 样本熵 多尺度熵 气液两相流 动力学特性     

气液段塞流气弹区相界面结构理论研究

根据气液段塞流气弹区相界面结构特征将气弹分为气弹头、气弹体、水跃面和气弹尾四部分,并根据各自的流动和界面结构特征分别进行模化,建立了描述不同倾角的圆管内气液段塞流气弹区相界面结构的一维理论模型.该模型的计算结果表明气液混合Froude数、管道倾角和气弹长度显著影响气液段塞流气弹区相界面结构,计算与实验结果吻合良好.     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.