波纹板薄膜流体共振特性的数值及实验研究

发布时间：2020-09-04 22:39

　　 流经固定几何表面的薄膜流体在一定条件下会产生特殊的“共振现象”。本文通过数值仿真和实验的手段研究了影响共振现象的各个因素,并提出了共振区的概念。使用开源软件OpenFOAM对流经波纹板的薄膜流体进行数值仿真。搭建流场显示实验台进行了实验,实验中使用了 PIV(粒子图像测速)方法对流场进行测量并进行图像处理。主要研究成果如下:建立了波纹板薄膜流动的数值模型,并通过实验与仿真结果的对比,对数值模型进行了验证。研究了共振现象的产生对薄膜流体的流场状态及各项流动指标的影响。在共振发生时,薄膜流体的自由表面振荡会达到最大。自由表面相对幅值和自由表面长度在共振点会达到最大值。液膜平均厚度随雷诺数的变化曲线会在共振点附近产生拐点。通过对漩涡变化的深入研究提出了“共振区”的概念。在该区域内自由表面幅值得到提高并且底部漩涡受到抑制。共振区的上下限分别对应着自由表面振幅和自由表面长度随雷诺数变化的两个拐点。在共振区内,液膜平均厚度的增加速度比其他区域慢很多,甚至会有减小的趋势产生。未产生回流区域的速度比漩涡区域的速度要大很多,而且两者之间存在量级上的差距。共振区内的薄膜流体法向速度强度和其他区域相比得到显著增强。研究了影响共振点的各个因素。在未发生液泛现象的气速范围内,气相速度对薄膜流动的共振现象影响有限。波纹高度对于共振点的偏移影响并不是很大,但是相对幅值随着波纹高度的增大而减小。波纹数目在大于3后对于薄膜流动几乎没有影响。波纹板的倾斜角度会对共振产生显著影响,倾斜角度大的情况下流体会更早产生共振现象。表面张力和共振点之间存在线性增长的关系。共振雷诺数随着运动粘度的增大会减小,共振点的大小近似于和动力粘度的0.8次方的倒数呈线性关系。共振点的取值大小近似于和流体密度算数平方根的倒数呈线性关系。得到了共振点和共振发生时的相对幅值和表面张力、粘度以及密度之间的经验公式。在工业生产中,寻找一个特定的操作点是很困难的。本文的研究结果表明在一定的区域范围内,薄膜流体与传质相关的各项流动特性相较其他区域都有所提升。本文的研究能为工业中操作参数的选择提供理论参考。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O35;O321
【部分图文】：

Ｗ斜角ｊｇ逡逑图２．１矩形波纹板薄膜流动物理模型逡逑图２．１是矩形波纹板薄膜流动的物理模型。在本文之后的研究中，气液两相是逆流状逡逑态。模型中考虑到薄膜流体受到重力作用，使用表示波纹板与水平线之间的倾斜角。一逡逑个波纹板由多个相同形状的简单几何波纹，以及前后用于过渡的固定长度的平板俎成。在逡逑本文建立的所有数值模型中前后平板的长度值均为０．０１ｍ。逡逑ｎ逡逑

邋Ｐ逡逑图２．２矩形波纹形状逡逑图２．２是矩形波纹的结构参数。Ｌ表示波纹的波长，ｄ表示波纹的深度。ｗ表示波纹逡逑板上的波纹个数。逡逑２．３．２边界条件逡逑Ａｉｉ－ｏｕｔｌｅｔ逦■邋＊逡逑■邋Ａｉｒ逡逑Ａｔｍｏｓｐｌｉｅｒｅ逦■邋Ｌｉｑｕｉｄ逡逑Ｌｉｑｕｉｄ－ｉｎｌｅｔ逡逑Ａｉｉ－ｉｕｌｅｔ逡逑Ｌｉｑｕｉｄ－ｏｕｔｌｅｔ逡逑图２．３数值模型逡逑图２．３表示的是矩形波纹板上气液两相逆流流动的数值模型。其中，蓝色Ａｉｒ部分代逡逑表气相区域，红色Ｌｉｑｕｉｄ部分代表液相区域。Ｌｉｑｕｉｄ－ｉｎｌｅｔ和Ｌｉｑｕｉｄ－ｏｕｔｌｅｔ分别对应物理模逡逑型中的液体入口和出口，Ａｉｒ－ｉｎｌｅｔ和Ａｉｒ－ｏｕｔｌｅｔ对应气体出入口。Ｗａｌ丨对应波纹板表面，逡逑Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ是ＯｐｅｎＦＯＡＭ特有的边界，表示大气。在不考虑气速的模型中，气相计算域逡逑的高度设定为液相高度的４倍。逡逑边界条件基本上被划分为两种类型，一种直接设定了边界条件上变量的数值，被称为逡逑“固定值”另一种设定了边界上变量的法向梯度，被定义为“固定梯度”。在固定梯度条逡逑件中，如果边界的固定梯度值为０，又被称为零梯度条件。逡逑表２．１边界条件逡逑ｕ邋（速度）逦ｐ

￣邋Ｐ逡逑图２．２矩形波纹形状逡逑图２．２是矩形波纹的结构参数。Ｌ表示波纹的波长，ｄ表示波纹的深度。ｗ表示波纹逡逑板上的波纹个数。逡逑２．３．２边界条件逡逑Ａｉｉ－ｏｕｔｌｅｔ逦■邋＊逡逑■邋Ａｉｒ逡逑Ａｔｍｏｓｐｌｉｅｒｅ逦■邋Ｌｉｑｕｉｄ逡逑Ｌｉｑｕｉｄ－ｉｎｌｅｔ逡逑Ａｉｉ－ｉｕｌｅｔ逡逑Ｌｉｑｕｉｄ－ｏｕｔｌｅｔ逡逑图２．３数值模型逡逑图２．３表示的是矩形波纹板上气液两相逆流流动的数值模型。其中，蓝色Ａｉｒ部分代逡逑表气相区域，红色Ｌｉｑｕｉｄ部分代表液相区域。Ｌｉｑｕｉｄ－ｉｎｌｅｔ和Ｌｉｑｕｉｄ－ｏｕｔｌｅｔ分别对应物理模逡逑型中的液体入口和出口，Ａｉｒ－ｉｎｌｅｔ和Ａｉｒ－ｏｕｔｌｅｔ对应气体出入口。Ｗａｌ丨对应波纹板表面，逡逑Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ是ＯｐｅｎＦＯＡＭ特有的边界，表示大气。在不考虑气速的模型中，气相计算域逡逑的高度设定为液相高度的４倍。逡逑边界条件基本上被划分为两种类型，一种直接设定了边界条件上变量的数值，被称为逡逑“固定值”另一种设定了边界上变量的法向梯度，被定义为“固定梯度”。在固定梯度条逡逑件中

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本文编号：2812679