矩形通道内气液两相弹状流特性研究
发布时间：2020-11-06 00:36
气液两相弹状流具有间歇性和不稳定性,是气液两相流动中最复杂的流型之一,其广泛存在于动力工程、石油化工和核工程等领域。矩形通道因其传热性能良好、相应设备结构紧凑等优点,被广泛应用于核工程等领域。加深对矩形通道中弹状流特性的认识,有利于工程设计。借助高速摄像方法,对竖直和倾斜条件下矩形通道内气液两相流弹状流特性开展可视化实验研究。实验在常温常压下进行,工质为空气和水。实验回路开放,采用泵驱动强制循环。实验中,共采用了五种不同尺寸的可视化矩形通道实验段,当量直径范围为2.08～15.96mm,高宽比为0.025～0.228。气相和液相折算速度范围分别为0.10～2.51m/s和0.16～2.62m/s,倾斜角度(与竖直方向夹角)为0°、10°、20°和30°。通过拍摄的图像,分析矩形通道中弹状流特点,通道尺寸和倾斜角度对弹状流特性的影响。测量竖直矩形通道内静止水中、流动液体中、弹状流中平均气弹速度及稳定气弹速度,倾斜矩形通道内弹状流中平均气弹速度及稳定气弹速度实验数据。分析气液相流速、倾斜角度和通道尺寸对气弹速度的影响规律,建立较为完善的气弹速度计算关联式。分析了弹状流中液弹结构及气弹间聚合机理,获得气弹速度与其前方液弹长度关系实验数据。通过分析主流流态、倾斜角度和通道尺寸对气弹速度与其前方液弹长度关系的影响,建立较为完善的气弹速度与其前方液弹长度计算关联式。研究气弹和液弹长度统计规律,发现气弹和液弹长度分布呈对数正态分布。探讨气液相流速、倾斜角度和通道尺寸对气弹长度、液弹长度、弹单元频率和气弹长度份额的影响规律及机理。测量通道Ⅲ内弹状流中液膜厚度及速度,分析气液相流速和倾斜角度对其影响,建立液膜脱离厚度及速度计算关联式。通过图像处理,获得竖直及倾斜窄矩形通道弹状流中局部和平均空泡份额、界面面积浓度和索特平均直径等界面参数。分析气弹段、液弹段和弹单元局部界面参数横向分布特性,气弹段和液弹段局部界面参数轴向分布特性。气弹段和弹单元局部空泡份额横向分布分为四种类型:平直型、平直非阶跃型、核峰型和核峰非阶跃型。液弹段空泡份额横向分布分为三种类型:核峰型、中间峰型和双峰型。探讨气液相流速、通道尺寸和倾斜角度对局部界面参数分布和平均界面参数的影响规律及机理。建立竖直和倾斜工况下平均空泡份额计算关联式。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL334
【部分图文】：
为研宄竖直和倾斜条件下不同矩形通道内气液两相弹状流特性，将矩形通道实验段??垂直安装在摇摆台架上，摇摆台架可绕中心轴以设定的角度倾斜。实验回路的可靠性、??测量系统的准确性及实验方案的合理性对研究结论具有至关重要的影响，本章将对实验??回路、测量系统及数据处理方法进行详细阐述，为研宄竖直和倾斜条件下矩形通道内弹??状流特性，探究通道尺寸及倾斜角度对矩形通道内弹状流的影响规律奠定基础。??２．１实验系统??２．１．１实验回路??实验回路如图２．１所示，由供水回路、供气回路、实验段、数据采集系统和高速摄??像系统五部分组成。整个实验回路可分为固定部分和可动部分，固定部分位于水平地面，??包含：（１）供水回路中水箱、离心泵、流量计、阀门和相关管路；（２）供气回路中压气??机、储气罐、流量计、压力表、阀门和相关管路；（３）数据采集系统和计算机。可动部??分安放在摇摆台上，包括实验段、压力传感器、高速摄像仪、混合腔、气水分离装置、??阀门和相关管路，其中实验段垂直安装在摇摆台上。固定部分与可动部分气、液管路间??采用不锈钢软管连接，保证倾斜条件下实验的顺利进行。??空１??
力自然分离，即气相流入大气，水经回水管路返回水箱，完成循环流动。调节气液相流??量到设定值，待流动稳定后，通过高速摄像系统和数据采集系统采集图像、流量和压力??数据。基于图２．１气液两相流实验回路可开展矩形通道内气液两相弹状流特性的实验研??宄。??实验回路可动部分安放在摇摆台架上，摇摆台为２．６ｍｘ３．６ｍ的矩形平台，采用两个??液压缸驱动，可绕摇摆轴做周期性运动，也可在任意角度停止，见图２．２（ａ）。初始时摇??摆平台与地平面平齐，摇摆台支撑结构及液压缸均布置在地面以下。竖直静止实验时，??通过定位键将摇摆台固定在水平位置；倾斜实验时，调节摇摆台运动到某一设定角度后，??用安全阀将摇摆台固定。实验中选取四个倾斜角度（与竖直方向夹角）进行研究，分别??为０°、１０°、２０°和３０°。高速摄像仪安装在摇摆台带导轨的支架上，且垂直于实验段宽??面，见图２．２（ｂ）。??台面摇摆运动?１?＼??二＾一．．角度传感器?：????．．．．．—?－（１？?—??＾?．．．．．?ｉ?—?—＿????：???＿．．．．．＿?—（?＾＊???ｖ?个．．．．．．．７ｐ＇＾＇ｖ?５厂?Ａ?ｖ??雛轴．．?／’?§??＞?〇Ｔ?ｋＭ?１?：ｆ?＂Ｔ??（ａ）液压摇摆台示意图?（ｂ）高速摄像仪??图２．２液压摇摆台和高速摄像仪??Ｆｉｇ．?２．２?Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ?ｒｏｌｌｉｎｇ?ｐｌａｔｆｏｎｎ?ａｎｄ?ｈｉｇｈ?ｓｐｅｅｄ?ｖｉｄｅｏ?ｃａｍｅｒａ??２．１．２矩形通道实验段??实验段为有机玻璃矩形通道
图２．３气弹界面椭圆离心率及其测量方法??Ｆｉｇ．?２．３?Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｌｌｉｐｓｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｌｕｇ?ｂｕｂｂｌｅ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．??图２．４给出了气弹界面椭圆离心率ｅ随通道窄边尺寸ｓ的变化趋势。由图可见，气??弹头部和尾部界面椭圆离心率相等。除通道Ｉ外，头部界面椭圆离心率大于气弹中部；??随通道窄边尺寸增大，头部与中部界面椭圆离心率偏差增大。但气弹头部、中部和尾部??界面椭圆离心率随通道窄边尺寸变化趋势相同。当■ｙｄ．Ｓｍｍ时，通道尺寸效应明显，界??面椭圆离心率随窄边尺寸的增大而快速增加。当０３．５ｍｍ时，界面椭圆离心率随通道窄??边尺寸增长变缓趋于稳定，窄边尺寸对气弹界面椭圆形状影响较小。可见，将通道Ｉ、??ＩＩ和ＩＩＩ划分为窄通道，通道］Ｖ划分为过度通道，通道Ｖ划分为常规通道较为合理。??１．０?｜?，?，?．?，?，?，?，?１?，?，???．０．９－?－??Ｓ?？?／
本文编号：2872417
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL334
【部分图文】：
为研宄竖直和倾斜条件下不同矩形通道内气液两相弹状流特性，将矩形通道实验段??垂直安装在摇摆台架上，摇摆台架可绕中心轴以设定的角度倾斜。实验回路的可靠性、??测量系统的准确性及实验方案的合理性对研究结论具有至关重要的影响，本章将对实验??回路、测量系统及数据处理方法进行详细阐述，为研宄竖直和倾斜条件下矩形通道内弹??状流特性，探究通道尺寸及倾斜角度对矩形通道内弹状流的影响规律奠定基础。??２．１实验系统??２．１．１实验回路??实验回路如图２．１所示，由供水回路、供气回路、实验段、数据采集系统和高速摄??像系统五部分组成。整个实验回路可分为固定部分和可动部分，固定部分位于水平地面，??包含：（１）供水回路中水箱、离心泵、流量计、阀门和相关管路；（２）供气回路中压气??机、储气罐、流量计、压力表、阀门和相关管路；（３）数据采集系统和计算机。可动部??分安放在摇摆台上，包括实验段、压力传感器、高速摄像仪、混合腔、气水分离装置、??阀门和相关管路，其中实验段垂直安装在摇摆台上。固定部分与可动部分气、液管路间??采用不锈钢软管连接，保证倾斜条件下实验的顺利进行。??空１??
力自然分离，即气相流入大气，水经回水管路返回水箱，完成循环流动。调节气液相流??量到设定值，待流动稳定后，通过高速摄像系统和数据采集系统采集图像、流量和压力??数据。基于图２．１气液两相流实验回路可开展矩形通道内气液两相弹状流特性的实验研??宄。??实验回路可动部分安放在摇摆台架上，摇摆台为２．６ｍｘ３．６ｍ的矩形平台，采用两个??液压缸驱动，可绕摇摆轴做周期性运动，也可在任意角度停止，见图２．２（ａ）。初始时摇??摆平台与地平面平齐，摇摆台支撑结构及液压缸均布置在地面以下。竖直静止实验时，??通过定位键将摇摆台固定在水平位置；倾斜实验时，调节摇摆台运动到某一设定角度后，??用安全阀将摇摆台固定。实验中选取四个倾斜角度（与竖直方向夹角）进行研究，分别??为０°、１０°、２０°和３０°。高速摄像仪安装在摇摆台带导轨的支架上，且垂直于实验段宽??面，见图２．２（ｂ）。??台面摇摆运动?１?＼??二＾一．．角度传感器?：????．．．．．—?－（１？?—??＾?．．．．．?ｉ?—?—＿????：???＿．．．．．＿?—（?＾＊???ｖ?个．．．．．．．７ｐ＇＾＇ｖ?５厂?Ａ?ｖ??雛轴．．?／’?§??＞?〇Ｔ?ｋＭ?１?：ｆ?＂Ｔ??（ａ）液压摇摆台示意图?（ｂ）高速摄像仪??图２．２液压摇摆台和高速摄像仪??Ｆｉｇ．?２．２?Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ?ｒｏｌｌｉｎｇ?ｐｌａｔｆｏｎｎ?ａｎｄ?ｈｉｇｈ?ｓｐｅｅｄ?ｖｉｄｅｏ?ｃａｍｅｒａ??２．１．２矩形通道实验段??实验段为有机玻璃矩形通道
图２．３气弹界面椭圆离心率及其测量方法??Ｆｉｇ．?２．３?Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｌｌｉｐｓｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｌｕｇ?ｂｕｂｂｌｅ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．??图２．４给出了气弹界面椭圆离心率ｅ随通道窄边尺寸ｓ的变化趋势。由图可见，气??弹头部和尾部界面椭圆离心率相等。除通道Ｉ外，头部界面椭圆离心率大于气弹中部；??随通道窄边尺寸增大，头部与中部界面椭圆离心率偏差增大。但气弹头部、中部和尾部??界面椭圆离心率随通道窄边尺寸变化趋势相同。当■ｙｄ．Ｓｍｍ时，通道尺寸效应明显，界??面椭圆离心率随窄边尺寸的增大而快速增加。当０３．５ｍｍ时，界面椭圆离心率随通道窄??边尺寸增长变缓趋于稳定，窄边尺寸对气弹界面椭圆形状影响较小。可见，将通道Ｉ、??ＩＩ和ＩＩＩ划分为窄通道，通道］Ｖ划分为过度通道，通道Ｖ划分为常规通道较为合理。??１．０?｜?，?，?．?，?，?，?，?１?，?，???．０．９－?－??Ｓ?？?／
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