主动调压型微孔壁管道流场特性数值仿真
发布时间：2021-09-16 20:35
为降低因管道阻力而导致的流体能量损失,实现流体增速效果,提出了一种主动调压型微孔壁面管道模型.在该模型中,微孔中的空气为液相流体提供边界约束,从而降低其输运阻力.增速效果可以通过控制微孔中的空气压力而调整.利用流体力学仿真方法,对管道内的流场特性及增速效果开展数值计算.结果表明:与相同条件直管道相比,平均增速比可达到2%～6%,最高超过了12%;增速效果在液相入口压力较低时更为明显,并随着气相压力的增加呈现先增强后减弱的趋势;气相压力对流速的有效调节范围随液相入口压力的增大而减小.微孔口气液界面处呈现小曲率对称型弯月面时可以实现增速效果,但弯月面呈现非对称弧形曲面时实现最佳增速效果的情况也存在.
【文章来源】：排灌机械工程学报. 2020,38(02)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
管道模型及其网格示意图
分别取主管道中距离模型正中央前后150,400μm的平均流速，记这4处的均值为v-．另一方面，将气相入口替换为光滑壁面，获得同样长度的直管道模型，在相同条件下同样取这4处平均流速的均值，记为v-"，则增速比可由(v--v-")/v-"计算获得．图2为不同液相入口压力和气相压力条件下的液相流体增速百分比k的结果．图中增速比均为正值，平均增速比达到2.0%～6.0%，最高增速比达到了12.5%．即使当气相压力为0，也有可能达到很高的增速比．这说明将部分固体管壁替代为空气壁面是可以增加流速的．这主要是由于流动的液体在气液界面上的黏附作用要远小于在液固界面上的黏附作用[12]．对于直管道，流体在管壁的黏附作用是导致其动能减小的主要原因，而由于空气壁面对液相的黏附作用远小于固体壁面，因此能有效减小黏附作用，从而使管内液相平均流速，尤其是近壁面的流速明显增大[13-15].对比图中曲线可以发现，液相的入口压力为0.5 kPa时，增速效果在4组曲线中能达到图中所有曲线的最高值12.5%，而在3.0 kPa时则仅为2%左右．并且，随着液相入口压力p1的增加，这种增速效果依次下降．这说明液相在低入口压力时增速效果更为明显，而在高入口压力时增速效果则比较有限．原因有两方面:一是液相入口压力提高，液相流速增加，与光滑壁面直管道的结果相类似，其壁面黏附效应增强，这显然会削弱增速效果;二是压力和流速较大时，微孔位置的气相与液相较难达到平衡，不容易保持稳定的气液界面，也就难以发挥减小黏附、增加流速的最佳效果[16]．实际上，图中液相入口压力p1=3.0 kPa的曲线只出现在气相压力范围750～800 Pa内的原因也正是由于压力和流速较大时难以获得稳定的气液界面．
局部压力云图显示，压力等高线位置与气液界面形态完美重合，并且在气液界面处压力梯度急剧变化．流速矢量图显示，气相与液相在界面处的流速矢量一致，气体在微孔内形成旋涡流．在微孔上游与下游位置，流速变化比较剧烈，压力云图上也出现了相应的局部高压和低压现象．其中，上游位置的压力和流速变化是由于气液流体交汇所形成，而下游位置的压力和流速变化主要是由部分液相流体冲击微孔口下游壁面导致的．此外，也发现2类不能实现有效增速效果的气液界面．其中一种如图4a所示，液相入口压力为2.0 kPa，气相压力为459 Pa时，气液界面不能保持在微孔口处，而是被推入了微孔内．这实际上是在微孔口处将液液界面替换成了最初的固液界面，因此与最佳的气液界面相比减阻增速效果并不明显．另外一种如图4b所示，相同条件下气相压力增大到520 Pa时，气液界面不能够保持平衡，气体从微孔内被挤出，形成间歇性的气泡．尽管这种情况可能会形成气泡流，也可能实现减阻增速效果[3]，但是由于文中模型的局限性，尚未发现有类似效果．
【参考文献】：
期刊论文
[1]水在不同接触角微柱群内的流动特征[J]. 姜桂林,张承武,管宁,邱德来,刘志刚. 化工学报. 2015(05)
[2]表面张力对疏水微结构表面减阻的影响[J]. 宋保维,任峰,胡海豹,郭云鹤. 物理学报. 2014(05)
[3]从自然到仿生的超疏水表面的微观结构[J]. 叶霞,周明,李健,刘会霞,袁润,杨海峰,李保家,蔡兰. 纳米技术与精密工程. 2009(05)
[4]从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J]. 江雷. 科技导报. 2005(02)
本文编号：3397252
【文章来源】：排灌机械工程学报. 2020,38(02)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
管道模型及其网格示意图
分别取主管道中距离模型正中央前后150,400μm的平均流速，记这4处的均值为v-．另一方面，将气相入口替换为光滑壁面，获得同样长度的直管道模型，在相同条件下同样取这4处平均流速的均值，记为v-"，则增速比可由(v--v-")/v-"计算获得．图2为不同液相入口压力和气相压力条件下的液相流体增速百分比k的结果．图中增速比均为正值，平均增速比达到2.0%～6.0%，最高增速比达到了12.5%．即使当气相压力为0，也有可能达到很高的增速比．这说明将部分固体管壁替代为空气壁面是可以增加流速的．这主要是由于流动的液体在气液界面上的黏附作用要远小于在液固界面上的黏附作用[12]．对于直管道，流体在管壁的黏附作用是导致其动能减小的主要原因，而由于空气壁面对液相的黏附作用远小于固体壁面，因此能有效减小黏附作用，从而使管内液相平均流速，尤其是近壁面的流速明显增大[13-15].对比图中曲线可以发现，液相的入口压力为0.5 kPa时，增速效果在4组曲线中能达到图中所有曲线的最高值12.5%，而在3.0 kPa时则仅为2%左右．并且，随着液相入口压力p1的增加，这种增速效果依次下降．这说明液相在低入口压力时增速效果更为明显，而在高入口压力时增速效果则比较有限．原因有两方面:一是液相入口压力提高，液相流速增加，与光滑壁面直管道的结果相类似，其壁面黏附效应增强，这显然会削弱增速效果;二是压力和流速较大时，微孔位置的气相与液相较难达到平衡，不容易保持稳定的气液界面，也就难以发挥减小黏附、增加流速的最佳效果[16]．实际上，图中液相入口压力p1=3.0 kPa的曲线只出现在气相压力范围750～800 Pa内的原因也正是由于压力和流速较大时难以获得稳定的气液界面．
局部压力云图显示，压力等高线位置与气液界面形态完美重合，并且在气液界面处压力梯度急剧变化．流速矢量图显示，气相与液相在界面处的流速矢量一致，气体在微孔内形成旋涡流．在微孔上游与下游位置，流速变化比较剧烈，压力云图上也出现了相应的局部高压和低压现象．其中，上游位置的压力和流速变化是由于气液流体交汇所形成，而下游位置的压力和流速变化主要是由部分液相流体冲击微孔口下游壁面导致的．此外，也发现2类不能实现有效增速效果的气液界面．其中一种如图4a所示，液相入口压力为2.0 kPa，气相压力为459 Pa时，气液界面不能保持在微孔口处，而是被推入了微孔内．这实际上是在微孔口处将液液界面替换成了最初的固液界面，因此与最佳的气液界面相比减阻增速效果并不明显．另外一种如图4b所示，相同条件下气相压力增大到520 Pa时，气液界面不能够保持平衡，气体从微孔内被挤出，形成间歇性的气泡．尽管这种情况可能会形成气泡流，也可能实现减阻增速效果[3]，但是由于文中模型的局限性，尚未发现有类似效果．
【参考文献】：
期刊论文
[1]水在不同接触角微柱群内的流动特征[J]. 姜桂林,张承武,管宁,邱德来,刘志刚. 化工学报. 2015(05)
[2]表面张力对疏水微结构表面减阻的影响[J]. 宋保维,任峰,胡海豹,郭云鹤. 物理学报. 2014(05)
[3]从自然到仿生的超疏水表面的微观结构[J]. 叶霞,周明,李健,刘会霞,袁润,杨海峰,李保家,蔡兰. 纳米技术与精密工程. 2009(05)
[4]从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J]. 江雷. 科技导报. 2005(02)
本文编号：3397252
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3397252.html
