伴随凝结的两相滑移流动研究
本文选题:相间滑移 切入点:矩方法 出处:《中国科学技术大学》2017年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:伴随水蒸气凝结的两相滑移流动在自然界和工业应用中十分常见,与社会经济和日常生活息息相关。伴随水蒸气凝结的两相滑移流动的滑移效应主要体现在两个方面:一是速度滑移,水蒸气凝结产生的液滴密度远大于气相密度,因此在气相运动状态发生改变时,液滴的运动状态表现出迟滞现象;二是温度滑移,水蒸气凝结产生的液滴温度与气相温度不一致,并且水蒸气凝结释放的潜热会加剧这种温度滑移,并显著影响气相的运动状态。由于水蒸气凝结过程十分迅速且生成的液滴通常在微米及以下量级,常用的理论研究和实验研究等手段难以进行比较细致的研究,而数值模拟是当前本问题的有效研究途径。因此,本文主要应用带相间滑移的矩方法,对伴随水蒸气凝结的两相滑移流动进行了研究。具体工作如下:首先,本文对带相间滑移的凝结矩方法进行了一定的简化,用直接向流场中加入大小一致的液滴微粒来代替水蒸气成核,实现相间速度滑移效应与水蒸气的凝结放热、液滴增长等因素解耦,以便更好的分析相间滑移效应对流场结构的影响。本文对液滴从兰金涡涡核内部向外迁移的过程进行了细致的分析,发现流场失稳时液滴分布呈现出的"四旋臂"结构,并进一步从流场涡量演化的角度对流场失稳的机制进行了分析。然后,本文对兰金涡中的水蒸气凝结问题进行了数值研究。因为水蒸气凝结产生的液滴比较小,滑移效应也比较弱,所以水蒸气凝结释放的潜热是影响流场状态的主要因素。从液滴分布方面来看,虽然液滴滑移效应比较弱,但是液滴仍会向涡核外迁移,并在此过程中不断增长;从流场参数变化来看,凝结产生的热量会使旋涡内部压强增大、温度升高。但兰金涡是压强与速度自匹配的旋涡流动,所以伴随而来的就是旋涡运动速度的减小,从而使旋涡的强度变弱,这一点有着重要的现实意义。本文也讨论了液滴凝结增长对滑移效应的影响。结果表明,在液滴凝结增长过程中,气相会有一部分动量随水的气液转化转移到液滴上。这种额外的动量转移使得微液滴与气相的滑移驰豫过程变短,增强了微液滴的跟随性,削弱了气液两相间的滑移效应。最后,本文将异质凝结矩方法扩展为带相间滑移的异质凝结矩方法,并对无凝结、有异质凝结无液滴滑移以及有异质凝结有液滴滑移三种流动工况下的出口马赫数为2的喷管流动进行了数值研究,分析异质凝结与液滴滑移效应对喷管流动的影响。结果表明,异质凝结在喷管的收缩段就已经发生,使喷管流动压强升高,马赫数增大;液滴滑移效应会阻碍气流的膨胀,使喷管流动的压强升高,马赫数减小,其影响幅度为5%左右。
[Abstract]:Two-phase slip flow with condensation of water vapor is very common in natural and industrial applications. The slip effect of two-phase slip flow with water vapor condensation is mainly reflected in two aspects: one is velocity slip, the density of droplet produced by water vapor condensation is much larger than that of gas phase. Therefore, when the moving state of the gas phase changes, the droplet shows hysteresis, and the temperature slippage, the droplet temperature produced by the condensation of water vapor is not consistent with the temperature of the gas phase. Moreover, the latent heat released by steam condensation will aggravate this temperature slip and significantly affect the gas phase motion. Because the condensation process of water vapor is very rapid and the droplets are usually in the order of micron and below, However, numerical simulation is an effective way to study this problem. Therefore, the moment method of interphase slip is mainly used in this paper. In this paper, the two-phase slip flow with water vapor condensation is studied. The main work is as follows: firstly, the condensation moment method of interphase slip is simplified in this paper. Instead of nucleating water vapor, the effect of velocity slip between phases is decoupled from the condensation and heat release of water vapor and droplet growth by adding droplet particles of the same size to the flow field directly. In order to better analyze the effect of interphase slip effect on the flow field structure, this paper makes a detailed analysis of the migration process of droplets from the inner and outer parts of the orchid vortex core, and finds out that the droplet distribution presents a "four-arm" structure when the flow field is unstable. The mechanism of flow field instability is further analyzed from the point of view of vorticity evolution of the flow field. Then, the condensation of water vapor in the orchid vortex is studied numerically because the droplets produced by the condensation of water vapor are relatively small. The slip effect is also weak, so the latent heat released by steam condensation is the main factor affecting the flow field. From the point of view of droplet distribution, although the droplet slip effect is weak, the droplet will still migrate outside the vortex nucleus. From the point of view of the variation of flow field parameters, the heat produced by condensation will increase the internal pressure and increase the temperature of the vortex, but the orchid vortex is a vortex flow with self-matching pressure and velocity. Therefore, it is of great practical significance to reduce the velocity of vortex motion and weaken the intensity of vortex. The effect of droplet condensation growth on slip effect is also discussed in this paper. In the process of droplet condensation, some of the momentum in the gas phase will be transferred to the droplet with the gas-liquid transformation of water. This extra momentum transfer shortens the slip relaxation process between the microdroplet and the gas phase, and enhances the following property of the microdroplet. Finally, the heterogeneous condensation moment method is extended to the heterogeneous condensation moment method with interphase slip. The flow of nozzle with Mach number 2 at outlet under three flow conditions with heterogeneous condensation without droplet slip and with heterogeneous condensation with droplet slip is numerically studied. The effects of heterogeneous condensation and droplet slip on nozzle flow are analyzed. The heterogeneous condensation has already occurred in the contraction section of the nozzle, which makes the nozzle flow pressure increase and the Mach number increase, and the droplet slip effect will hinder the expansion of the air flow, increase the pressure of the nozzle flow, decrease the Mach number, and its influence range is about 5%.
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O35
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 李莉;谈谈液滴间不溶合现象[J];现代物理知识;2000年04期
2 林志勇;彭晓峰;;振荡液滴内部流态[J];工程热物理学报;2007年02期
3 刘志鹏;徐进良;;T型微流控芯片中的液滴形成[J];微纳电子技术;2007年03期
4 孙炜;季杰;何伟;;人体呼出的污染液滴在空气中的蒸发和沉降特性[J];中国科学技术大学学报;2008年04期
5 崔洁;陈雪莉;王辅臣;龚欣;;撞击液滴形成的液膜边缘特性[J];华东理工大学学报(自然科学版);2009年06期
6 熊燃华;许明;李耀发;杨基明;罗喜胜;于勇波;赵铁柱;;液-液两相介质中液滴在冲击作用下的演变过程[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2010年06期
7 张谨奕;薄涵亮;孙玉良;王大中;;三维空间液滴运动模型[J];清华大学学报(自然科学版);2013年01期
8 李大鸣;王志超;白玲;王笑;;液滴撞击孔口附近壁面运动过程的模拟研究[J];物理学报;2013年19期
9 王琪民,苏维,王文东,王清安;用高速摄影方法研究单液滴运动[J];高速摄影与光子学;1987年03期
10 E.Blaβ ,李素琴;气泡和液滴的生成和并合[J];力学进展;1990年04期
相关会议论文 前10条
1 左子文;王军锋;霍元平;谢立宇;胡维维;;气流中荷电液滴演化的数值模拟[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
2 贺丽萍;夏振炎;;低流量微管末端液滴形成及破碎的研究[A];第八届全国实验流体力学学术会议论文集[C];2010年
3 熊燃华;许明;李耀发;杨基明;罗喜胜;于勇波;赵铁柱;;液-液两相介质中液滴在冲击作用下演变模式[A];第十四届全国激波与激波管学术会议论文集(下册)[C];2010年
4 刘华敏;刘赵淼;;液滴形成与下落过程分析[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年
5 郑哲敏;;液滴与液面碰撞时发生环形穿入的条件[A];郑哲敏文集[C];2004年
6 刘伟民;毕勤成;张林华;孟凡湃;薛梅;;液滴低压闪蒸形态和温度变化的研究[A];山东省暖通空调制冷2007年学术年会论文集[C];2007年
7 吕存景;;微尺度下的液滴黏附力学[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
8 陈雪;朱志强;刘秋生;;固体表面液滴热毛细迁移的实验研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
9 郭加宏;胡雷;戴世强;;液滴冲击固体表面液膜的实验和数值研究[A];第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会论文集[C];2009年
10 魏明锐;赵卫东;孔亮;沃敖波;;液滴修正零维蒸发模型的推导与分析[A];2007年APC联合学术年会论文集[C];2007年
相关重要报纸文章 前2条
1 王小龙;新法可让液滴按需形成任意形状[N];科技日报;2014年
2 孙文德;液滴透镜[N];中国知识产权报;2001年
相关博士学位论文 前10条
1 刘栋;液滴碰撞及其融合过程的数值模拟研究[D];清华大学;2013年
2 周源;蒸汽爆炸中熔融金属液滴热碎化机理及模型研究[D];上海交通大学;2014年
3 张璜;多液滴运动和碰撞模型研究[D];清华大学;2015年
4 王志超;基于SPH-DEM耦合方法的液滴冲击散粒体运动机理研究[D];天津大学;2015年
5 霍元平;荷电液滴破碎机理及电流体动力学特性研究[D];江苏大学;2015年
6 范增华;基于疏水表面冷凝和振动粘着控制的微对象操作方法研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
7 王兵兵;电场下液滴界面输运与传热特性的分子动力学研究[D];华北电力大学(北京);2016年
8 严启凡;流动聚焦液滴生成技术研究[D];中国科学技术大学;2016年
9 张博;液滴润湿行为与表面微纳结构关系的模拟研究[D];北京化工大学;2016年
10 饶莉;液—液分散体系中液滴的动力学行为研究[D];北京化工大学;2016年
相关硕士学位论文 前10条
1 崔艳艳;液滴撞击倾斜壁面动力学过程研究[D];大连理工大学;2010年
2 吴方;微流控系统的高通量液滴检测[D];天津理工大学;2015年
3 龚翔;电场作用下液滴的聚结特性及高压静电破乳研究[D];集美大学;2015年
4 李艳斌;工业厂房中敞口槽散发纯水液滴的蒸发和运动规律[D];西安建筑科技大学;2015年
5 张慧;液滴在随机粗糙表面的铺展动力学仿真研究[D];苏州大学;2015年
6 苏凤婷;基于单探针和液滴辅助的微构件转移方法和实验研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
7 雷庆;液滴与疏水和超疏水固体表面作用的研究[D];北京化工大学;2015年
8 伍福璋;微米级别因素对动态接触角影响的实验研究[D];南昌大学;2015年
9 李德伟;液滴碰壁铺展与振荡的研究[D];大连理工大学;2015年
10 李志江;基于液滴喷射技术的塑料增材制造系统研究与开发[D];北京化工大学;2015年
,本文编号:1557804
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/1557804.html