摇摆条件下大圆管内气液两相流动界面输运特性

发布时间：2020-11-14 00:54

　　 摇摆运动作为船舶在海洋环境中典型的运动形式,对动力系统中热工水力特性会产生重要影响,因此摇摆条件下单相及两相流动研究得到了越来越广泛的关注。然而摇摆条件下两相流动过程中局部界面特性的研究罕见报道。与非摇摆情况下相比,摇摆条件下的两相界面结构及其变化可能存在很大的不同。另一方面,界面上的传热传质过程也会受到摇摆运动的影响。因此,开展摇摆条件下两相流动界面输运特性实验,深入研究摇摆运动对两相流动局部特性的影响,可为完善两流体模型并使其能够应用于海洋条件下两相流计算奠定基础。以实验手段为主,对静止(非摇摆)及摇摆条件下气液两相泡状流中局部界面输运特性展开研究。实验在常温常压下进行,工质为空气和自来水。实验段采用透明有机玻璃圆管,内径分别为50.8 mm和101.6 mm,其中以101.6 mm大圆管内的实验为主。实验段竖直固定在摇摆台架上,通过摇摆台控制系统,可实现实验段的竖直和倾斜状态及摇摆运动。实验中,自研四传感器光学探针,并用于测量局部时均空泡份额、界面面积浓度(IAC)、Sauter平均直径、界面速度和气泡频率等界面参数。提出了摇摆条件下探针信号数据处理方法,并针对静止及摇摆条件下探针信号数据编制了相应的实验数据处理软件。运用光学探针测量方法,大量获取了静止及摇摆条件下局部界面参数,建立了相应的实验数据库,为改进完善两流体模型提供数据支持。竖直静止条件下两相流动实验结果表明,大通道和常规通道内相分布类型均可归纳为壁峰型、平直型和核峰型三种。随气流量增大,相分布类型基本由壁峰型向核峰型转变;随液流量增大,分布类型基本由核峰型向壁峰型转变。相分布类型转换机制主要跟流场及气泡尺寸形状有关,具体可以通过气泡径向受力理论进行分析解释。在倾斜静止两相流动中,随倾斜角度增大,倾斜管上侧近壁区空泡份额分布梯度变大,对应峰值越高,同时峰出现位置越接近壁面;随气流量增加,管上侧空泡份额近壁峰值增大,且峰出现位置点与壁面距离增大;随液流量增加,管上侧空泡份额近壁峰值略有降低,且峰出现位置点越靠近壁面。摇摆条件下两相流动实验结果表明,在摇摆周期或幅度较小时,局部空泡份额随摇摆运动的分布峰可能出现在摇摆幅值位置(最大摇摆角度)之后;而在摇摆周期或幅度较大时,分布峰值可能出现在幅值位置之前。即,随摇摆周期或摇摆幅度增加,分布峰出现位置存在提前的趋势。在相同摇摆条件下,随气相流量增加,分布峰出现位置呈现出提前的趋势;而随液相流量增加,分布峰值出现位置呈现出延后的趋势。此外,在摇摆运动的水平平衡位置时,径向空泡份额分布变化要滞后于摇摆运动。在理论研究方面,主要对两流体模型中界面面积输运模型(气泡聚合、破裂模型)和界面力模型等封闭条件进行讨论分析。通过将升力、壁面力和湍流扩散力三种界面力模型添加到CFD软件CFX中,开展静止条件下气液两相流动的数值模拟,并结合实验数据库,对不同的界面力模型进行评估验证。此外,还尝试对摇摆条件下气液两相流动进行仿真模拟。竖直静止大圆管内气液两相流数值模拟结果表明,升力模型Tomiyama(2002)、壁面力模型Tomiyama(1998)和湍流扩散力模型Burns(2004)三种界面力模型组合对局部空泡份额及其分布的预测结果与实验值符合较好,因此推荐用于两相流动局部界面参数及其分布的模拟计算中。在界面输运模型评价中,Ishii-Kim(2001)模型对轴向IAC变化的预测结果与实验值符合最好,误差基本在±10%以内。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL334
【部分图文】：

第 2 章 实验装置与实验内容通过实验手段，对竖直、倾斜的静止（非摇摆）和摇摆条件下圆管内两相流动局特性展开了研究。采用完全自主研制的四传感器光学探针对实验段内局部参数进，所取得的数据是进一步开展竖直、倾斜和摇摆条件下局部界面输运特性研究的由于设计实验回路的合理性、制定实验方案的可行性以及数据测量方法的可靠性测得实验数据的准确性直接相关，同时还决定了论文研究工作能否顺利展开并达目标。因此有必要对实验装置组成、实验内容、步骤及测量方法等进行系统的介明。 实验装置竖直、倾斜及摇摆三种状态下的相关实验研究主要在摇摆台架上完成。实验系统.1 所示，主要包括三个部分：摇摆台架、两相流动实验回路和光学探针测量系统

可将摇摆台面停在指定的角度上，从而产生不同的倾斜位置。实验中规定摇摆台面与地面齐平的位置点为摇摆台的平衡位置，即倾角为 0°。摇摆台架使用液压系统驱动控制，可以按照设定的摇摆周期和幅度近似模拟船舶在海洋环境中简谐摇摆运动，运动规律数学表达式为：( t)m 0θ = θsin ω(2-1)( t)dtdm 00θωcos ωθω = =(2-2)( t)dtdm 020θωsin ωωβ = =(2-3)Tπω20= (2-4)式中，θ和θm分别为瞬时摇摆角度和摇摆幅值（最大摇摆角度），单位 rad； ω和ω0分别为摇摆运动角速度和摇摆圆频率，单位 rad/s；β为摇摆运动角加速度，单位 rad/s2；T 和t 分别为摇摆周期和摇摆时间，单位 s。此处需指出，在表达式计算中，角度单位采用国际单位 rad，而在图文表述中使用单位°。

对应于摇摆运动参数的不同状态见图 2.2(b)。测量装置两相流动局部特性影响中，必须将瞬态局部界于现有实验系统中，摇摆角度和实验参数由两很难做到摇摆角度与其他实验数据的同步采光纤探针指示摇摆平衡位置。指示装置如图管固定在摇摆台上；装满水的容器置于摇摆摆台处于平衡位置时，事先调整光纤探头正摆角度时，探头完全浸没在水中，而在负角不同电平信号，很容易确定出摇摆台处于平衡刻所对应的摇摆角度。实验中，单光纤探针信同一数据采集系统同时采集存储，从而实现测。
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本文编号：2882856