瞬变运动条件对竖直管内搅混流向环状流转变边界的影响研究

船舶在航行过程中处于海洋瞬变运动环境,两相流动常处于瞬变运动状态,两相流型可能与陆基条件时不同,进而影响流动传热特性,准确判别瞬变运动条件下两相流型对两相阻力和传热的计算具有重要意义。本文针对摇摆和升潜两种典型海洋运动条件,引入运动产生的瞬变外力场,构建了瞬变运动条件下搅混流-环状流转变准则,该准则也可适用于竖直向上和倾斜流动。通过静止和瞬变运动条件下实验数据对转变准则模型计算结果进行了验证,与实验结果符合很好。通过对转变准则进行分析,绘制了搅混流-环状流转变曲线,获得了运动参数对流型转变边界的影响规律。

重力对垂直管内气液搅混流相界面特性影响的数值研究

采用流体体积函数模型(VOF)对常重力、部分重力和微重力环境下垂直管内空气–水搅混流和制冷剂R134a蒸汽–液体搅混流进行数值模拟,研究重力环境对气液搅混流界面波高度,相界面稳定性及界面波形成周期的影响。与实验结果的对比显示数值模型是可靠的。数值结果表明,随着重力环境的减小,气液搅混流的界面波高度有所增大,相界面稳定性明显增强,界面波形成周期随之延长。空气–水搅混流界面波与R134a蒸汽–液体搅混流相比有显著不同。尽管R134a蒸汽和R134a液体的入口速度较小,但与空气–水搅混流相比,其相界面稳定性明显下降,形成周期缩短。上述结果对微重力和部分重力下换热设备的研究与设计提供了重要依据。

高压环境下垂直管内汽液搅混流相界面特征

采用数值计算方法,基于流体体积模型(VOF)分别对5.07,10.13,17.22 MPa高压环境下垂直管内水蒸汽-水搅混流进行数值模拟,研究了环境压力、汽速和液速对汽液搅混流界面波临界振幅、形成周期和相界面稳定性的影响。采用通过实验结果验证的数学模型进行了模拟计算,结果显示,伴随压力的增大,汽液相界面的稳定性得到显著提高,界面波的形成周期也随之延长。界面波临界振幅随环境压力的增大而增大,液速的降低或汽速的提高有利于降低界面波临界振幅,但是环境压力越大,这种影响越小。根据汽液两相流动特性,分析认为出现以上现象是由于汽液物性的不同所导致的。

竖直管内弹状流向搅混流转变界限的判定

本文对两种不同管径的竖直管内弹状流向搅混流转变界限的判定进行了实验研究。实验发现,在弹状流向搅混流转变的过程中,管内压力会随气体流量的增加出现先降低后上升的非单调性变化。通过对管内压力和摩阻变化的理论分析,并在可视化观察的基础上,提出压力变化曲线的转折点即为搅混流产生的起始点。然后根据实验数据,绘出两种不同管径下的搅混流转变界限。

窄矩形通道内搅混流和环状流相界面参数的计算方法

空泡份额和界面浓度是两相流动中重要的相界面参数,准确获取窄矩形通道内搅混流和环状流工况下空泡份额和界面浓度是构建和完善两流体模型的关键。本文针对横截面为65 mm×2 mm的矩形通道开展了气液两相流动特性可视化实验研究,气相折算速度j_(g)=1~9 m/s,液相折算速度j_(f)=0.1~1.5 m/s,流型包含搅混流和环状流。提出了基于高速摄像法获取搅混流和环状流下空泡份额和界面浓度的分析计算方法,利用该方法所得空泡份额与窄矩形通道内经验关系式计算值的相对偏差约在10%以内。此计算方法可为研究复杂流型下窄矩形通道内的相界面参数提供理论依据。

竖直环形流道内流动沸腾传热研究

在沸腾传热实验中,一般壁面的加热方式有电加热和流体加热两种,在两种方式下的沸腾传热特性存在差异.针对流体加热方式下的沸腾传热问题,采用水加热方法,对水在竖直环形流道内的流动沸腾传热特性进行了可视化研究,并结合环状流模型、液泛原理和紊流普朗特数理论,给出了传热计算模型.实验段环隙宽度有5和3 mm两种,质量流速分别为16.8～55.3 kg/(m2s)和15.3～62.1 kg/(m2s).实验结果表明,饱和沸腾区域以搅混流为主,液泛现象是搅混流形成的内在机理,搅混使传热得以增强;基于环状流模型的计算结果和实验结果符合较好.

大管径垂直管道内高压汽液混合流动的数值研究

采用流体体积模型(VOF)对高压环境下190 mm大管径垂直管内水蒸汽-水混合流动进行数值研究。数值计算得到了5.07,10.13与17.23 MPa高压下大管径垂直管内汽液流型分布图及搅混流态的相分布图和速度场分布,并与常压下的计算结果进行对比,以研究压力环境带来的影响。数值结果表明,高压环境下大管径垂直管内的流型图与Hewitt和Roberts流型图的吻合度较差。高压环境下大管径垂直管内没有出现雾状流;泡状流和搅混流的发生区域扩大;弹状流的发生区域被压缩得很小;环状流的变化最小。随着压力的增大,大管径垂直管内汽液搅混流中界面波的高度有所降低;液膜铺展在壁面的面积扩大;系统的稳定性提高。速度场分布是管道中心处速度较大;近壁面处速度场发生振荡;壁面处速度迅速减小至零。随着压力的增大,近壁面处速度场振荡的紊乱程度减轻。根据汽液两相流动特性,分析了发生以上现象的原因。