不同流场环境影响下管内气（汽）液两相流动与传热特性的数值研究

发布时间：2017-08-20 22:39

  本文关键词：不同流场环境影响下管内气（汽）液两相流动与传热特性的数值研究

  更多相关文章： 气液两相流 数值计算 搅混流 相界面 浸湿锋面 下降液膜 流动沸腾

【摘要】：气(汽)液两相流问题广泛地存在于自然界和工业界的诸多领域,密切关系着人民的生活和生产安全。流体的实际流动和传热效果受流体固有物理化学性质和流场环境的综合作用。流体的物理化学性质通常是可查询或可测量的,但是流场环境常常会主动或被动的发生改变,其中流场环境的被动改变往往是无法控制和难以预测的,最终造成流体流动和传热的实际真实值与理论预测值产生偏差。由于流场环境无时无刻不在影响甚至决定着内部流体的流动与传热特征,因此其研究重要性不言而喻。本文在考虑不同流场影响的基础上,借助数值方法的优越性,利用基于计算流体动力学(CFD)理论的商用计算软件平台Fluent,选择VOF多相流模型和RNG k-ε湍流模型求解气(汽)液相界面行为,通过编写用户自定义函数(UDF)添加汽、液质量和能量源项来考虑有相变发生时的质能传递问题。采用二阶迎风差分格式处理对流项,压力基分离求解方法选取PRESTO,利用PISO作为压力速度耦合算法。为了验证数学模型和自编程函数的准确性,文中选取多种途径的验证方式。采用的验证标准包括实验测量数据、经验修正公式以及理论推导公式等。对应流场环境下的对比显示,数值计算结果与已有数据结果表现出了较好的一致性,表示建立的数学模型能够准确处理一定流场环境影响下的流体流动与传热问题。根据工况不同选用的工质材料包括空气-水、水蒸汽-水和R134a蒸汽-液体三组混合物,对重力流场、压力流场和热载流场影响下管内气(汽)液两相流动与传热特性进行了较全面系统的研究分析。1.重力流场。建立了低重力流场下管内气液两相流的数值模型,分析了低重力环境下气(汽)液两相流的运动特性。低重力环境下惯性力、粘性力和表面张力的影响相对增强,成为流型形成和改变的主要因素,使低重力流场下的流型形状与常重力相比有显著差别。与常重力流场相同,气(汽)、液流速的增大会使流动压降提高,且重力加速度越小,气(汽)液流动压降越大。因此,常重力下预测气液两相流摩擦压降的均相流模型、Friedel模型和Chisholm模型都不能用于预测低重力环境下的压降结果。根据分液相Re数对低重力场流动重新分区,修正后的Chisholm关系式能够准确预测低重力流场下的流动压降。对于存在相界面波动的搅混流型,随着重力场的减弱,界面波波峰高度随之增大,界面波的形成周期随之延长,相界面稳定性随之增强。2.压力流场。根据高压环境特性,建立了高压流场下垂直管道内汽液两相流的数值模型。高压环境下的流型图分布与Hewitt和Roberts流型图的吻合度较差。高压环境下没有出现雾状流；弹状流区被压缩；泡状流区扩大,几乎覆盖了常重力流场下的泡状流区、弹状流区和部分雾状流区。对界面波动特性的研究显示,流场压力越大,界面波振幅越大、形成周期延长、相界面稳定性提高。对于搅混流,流场压力对管道中心速度场分布的影响不大。与常压环境相比,随着流场压力的增大,近壁面处局部速度场振荡的随机和紊乱程度有所减弱。以汽、液无量纲流速为轴建立坐标系,在垂直管道内的汽液逆流过程中,高压环境下淹没开始点呈二次函数分布,且分布方式与流场压力无关,文中采用最小二乘法回归得到了修正后的淹没开始点预测经验公式。全部携带点、流向反转点和有滞后现象的淹没消失点均呈线性分布。文中以常压流场为基准,讨论了流场压力对汽液逆流过程的影响。3.热载流场。通过添加汽、液质能源项,建立了热载流场下汽液两相流动和传热的数值模型。当下降液膜重新浸润裸露热壁时,液膜前沿接触角会发展为浸湿锋面。当壁面过热度达到一定值时,浸湿锋面与壁面分离,不再参与热壁的冷却换热。为了研究浸湿锋面的运动特征,文中定义了浸湿锋面的临界分离长度及其发生位置、临界分离高度以及保持分离的临界时长,文中以壁面热流密度和液膜Re数为变量,绘制了以上特征参数的分布图。对于下降液膜流动过程中的传热和运动特性,讨论的内容涉及核态沸腾的发生时间及位置、沸腾初期饱和汽泡的形成过程及其对液膜表面波动的影响,和下降液膜的传热状态分布等。不同工况下降膜表面换热系数的变化趋势是一致的,即从初始值逐渐下降,直至稳定在某一数值。本文计算范围内,相同入口液流量下的表面换热系数近似相等,与壁面热流密度无关。相同入口液流量工况下,壁面热流密度越高,初始表面传热系数变化梯度越大,最终达到的稳定值减小；但此过程所需要的发展时间几乎相同。
【关键词】：气液两相流 数值计算 搅混流 相界面 浸湿锋面 下降液膜 流动沸腾
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-18
• 主要符号表18-20
• 第1章 绪论20-34
• 1.1 选题来源及意义20-21
• 1.2 流场环境影响方式及分类21-22
• 1.3 流场环境影响作用研究现状与发展方向22-30
• 1.3.1 几何结构流场的影响研究22-25
• 1.3.2 重力环境流场的影响研究25-26
• 1.3.3 压力环境流场的影响研究26-28
• 1.3.4 热载环境流场的影响研究28-30
• 1.4 本文主要研究内容及创新点30-34
• 1.4.1 主要研究内容30-32
• 1.4.2 主要创新点32-34
• 第2章 气液两相流动与传热的数值计算34-50
• 2.1 CFD简述34-35
• 2.2 FLUENT软件简介35-36
• 2.3 气液两相流基本理论36-39
• 2.3.1 主要参数36-38
• 2.3.2 相间作用力38-39
• 2.4 多相流模型的选择39-40
• 2.5 气液两相流模型控制方程40-43
• 2.5.1 控制方程40-41
• 2.5.2 湍流模型41-43
• 2.5.3 壁面函数法43
• 2.6 气液两相流方程的求解43-48
• 2.6.1 通用控制方程的离散45-46
• 2.6.2 压力速度的耦合算法46-48
• 2.7 初始条件和边界条件48-49
• 2.7.1 初始条件48
• 2.7.2 边界条件48-49
• 2.8 本章小结49-50
• 第3章 重力流场环境对气液两相流动的影响50-78
• 3.1 引言50-51
• 3.2 物理模型51-52
• 3.2.1 垂直管道51-52
• 3.2.2 水平管道52
• 3.3 数值模拟52-55
• 3.3.1 控制方程及离散方法52-54
• 3.3.2 边界条件和网格划分54-55
• 3.4 数值模型的对比验证55-60
• 3.4.1 微重力流场环境下数值方法验证55-57
• 3.4.2 部分重力流场环境下数值方法验证57-58
• 3.4.3 常重力流场环境下数值方法验证58-60
• 3.5 重力流场对水平管内气(汽)液两相流型的影响60-63
• 3.6 重力流场对水平管内气液两相流压降值的影响63-69
• 3.7 重力流场对垂直管内汽液搅混流相界面波动特性的影响69-76
• 3.7.1 界面波振幅高度71-74
• 3.7.2 界面波的形成周期74-75
• 3.7.3 气液相界面稳定性75-76
• 3.8 本章小结76-78
• 第4章 压力流场对汽液两相流动的影响78-97
• 4.1 引言78
• 4.2 物理模型78-79
• 4.3 数值模拟79-80
• 4.3.1 控制方程及离散方法79-80
• 4.3.2 边界条件和网格划分80
• 4.4 数值模型的对比验证80-83
• 4.4.1 实验(1)80-81
• 4.4.2 实验(2)81-83
• 4.5 压力流场对垂直管内汽液两相流型分布的影响83-85
• 4.5.1 计算工况83-84
• 4.5.2 压力流场对泡状流与弹状流分布的影响84-85
• 4.5.3 压力流场对搅混流与环状流分布的影响85
• 4.6 压力流场对汽液相界面波动特性的影响85-91
• 4.6.1 计算工况与数值结果85-88
• 4.6.2 界面波振幅88-89
• 4.6.3 界面波周期89
• 4.6.4 相界面稳定性89-90
• 4.6.5 搅混流速度场分布90-91
• 4.7 压力流场对汽液两相逆流过程的影响91-95
• 4.7.1 淹没开始点92-93
• 4.7.2 全部携带点和流向反转点93-94
• 4.7.3 淹没消失点94-95
• 4.8 本章小结95-97
• 第5章 热载流场对下降液膜流动与传热的影响97-133
• 5.1 引言97-98
• 5.2 物理模型98-99
• 5.3 数值模拟99-102
• 5.3.1 控制方程99-100
• 5.3.2 网格划分100-102
• 5.3.3 边界条件102
• 5.3.4 基于UDF的沸腾模拟实现102
• 5.4 数值模型的对比验证102-105
• 5.4.1 与经验修正公式对比验证103-104
• 5.4.2 与实验结果对比验证104-105
• 5.5 浸湿锋面105-115
• 5.5.1 浸湿锋面形成过程105-107
• 5.5.2 浸湿锋面流型比较107-108
• 5.5.3 浸湿锋面的特征参数分布108-115
• 5.6 降膜流动沸腾115-122
• 5.6.1 汽泡的形成过程115-118
• 5.6.2 核态沸腾发生的时间及位置118-121
• 5.6.3 下降液膜核态沸腾的影响因素121-122
• 5.7 汽液相界面运动特性122-127
• 5.7.1 相界面波动特性123-124
• 5.7.2 汽泡对相界面波动的影响124-127
• 5.8 降膜冷却传热特性127-131
• 5.8.1 平均表面传热系数分布127-130
• 5.8.2 下降液膜传热方式130-131
• 5.9 本章小结131-133
• 第6章 结论与展望133-135
• 6.1 研究结论133-134
• 6.2 研究展望134-135
• 参考文献135-143
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果143-144
• 致谢144-145
• 作者简介145

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;液膜工艺中的渗透研究——关键参数的影响[J];铀矿冶;1992年04期

2 聂菲,李宗孝;液膜技术在医药化工中的应用[J];精细化工中间体;2004年01期

3 卢川;段日强;姜胜耀;;下降液膜流动不稳定性实验研究[J];清华大学学报(自然科学版);2008年09期

4 杜世元;赵耀华;;薄液膜蒸发传热影响因素分析[J];化学工程;2011年04期

5 张秀娟;张兴泰;范琼嘉;刘振芳;;液膜分离钾离子的研究——钾离子的促进迁移和活性迁移[J];华南工学院学报;1980年02期

6 曾平,王玉鑫;液膜处理过程中粘度的变化[J];膜科学与技术;1994年03期

7 王献科,李玉萍;液膜富集铀（Ⅵ）与水中痕量铀的测定[J];中国钼业;1996年05期

8 刘怿;液膜手套的制法与使用[J];中小企业科技信息;1996年01期

9 师晋生,施明恒;平壁上等温层流液膜的破裂特性[J];东南大学学报;1997年03期

10 许孙曲;镧元素和钍的液膜分离[J];稀土信息;1997年Z1期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 孙艳阁;吕韦钦;李春秀;李英;;采用傅里叶变换红外光谱表征泡沫液膜的特性[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第26分会：胶体与界面[C];2014年

2 于欢;沈胜强;梁刚涛;;单液滴撞击球面液膜铺展特征分析[A];高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集[C];2013年

3 王庆久;王丽颖;李桂英;;液膜解毒理论研究(摘要)[A];第三次全国急诊医学学术会议论文摘要汇编[C];1990年

4 赵飞;佟明羲;杨立军;王辰;崔坤达;刘路佳;段润泽;;幂律流体射流撞击形成液膜的理论和实验研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 张子杨;鲁仰辉;王欢;安旭;宋宜豪;;大型试验台架中针对流动液膜的测量方法研究[A];中国核学会核能动力分会2013年学术研讨会论文集[C];2013年

6 梅宁;张则荣;陆建辉;;竖直螺旋槽管壁面液膜流动特性的研究[A];自然、工业与流动——第六届全国流体力学学术会议论文集[C];2001年

7 周志强;彭杰;;管道内附UCM流体液膜的稳定性问题[A];第七届全国流体力学学术会议论文摘要集[C];2012年

8 佟明羲;王辰;赵飞;杨立军;崔坤达;刘路佳;段润泽;;二维黏弹性流体平面液膜的热毛细不稳定性[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

9 卢敏;武斌;朱家文;;胺法脱除CO_2过程的研究[A];上海市化学化工学会2005年度学术年会论文摘要集[C];2005年

10 郭盛昌;陈蔼t，

本文编号：709332