垂直管环状流场中液滴夹带率预测新模型

液滴夹带率是认识环状流典型特征的重要参数之一,对其准确预测对于揭示环状流场中液膜厚度、液体携带形式,以及计算压降梯度均具有重要意义。现有液滴夹带率预测方法以经验公式为主,通过实验数据拟合得到,其适用条件有限。本章收集了更宽泛的液体种类、液流速、气流速、实验压力、管径的实验数据共785组,在其基础之上建立了环状流液滴夹带率预测了新模型,该模型是对Cioncolini和Thome (2012)所建关系式形式的发展。新模型考虑了气流速、液流速、压力、气体密度、气体粘度和管径的影响。新模型与现有14个模型相比,准确性更高,适用的参数范围更宽。

基于CNN-LSTM的数字微流控系统液滴运动时间预测模型

由于数字微流控芯片在制造和使用过程中可能存在潜在故障,并且芯片的应用领域对安全性要求极高,因此需要对芯片进行全面的测试以确保其可靠性和安全性。提出融合卷积神经网络(CNN)算法和长短期记忆(LSTM)神经网络的预测模型。利用机器视觉技术获取数字微流控驱动控制系统数据,基于CNN-LSTM模型对数字微流控系统液滴运动时间变化进行预测及相关性分析,并与传统的LSTM神经网络模型进行对比。实验结果表明,在驱动电压90 V下,CNN-LSTM模型在预测精度上明显优于LSTM神经网络模型,决定系数(R^(2))达到0.9543,均方误差(MSE)仅为6.5301,平均绝对误差(MAE)为1.9179,平均绝对百分比误差(MAPE)为5.0520,预测值与实验值之间的拟合程度高。结果表明,CNN-LSTM的预测准确率高于传统的LSTM神经网络模型,能有效识别实验器件健康状态、较好预测潜在故障时间,具有有效性和优越性。

高气液比水平井临界携液流量预测新模型

明确气井积液机理和携液规律对于掌握井下流体的流动状态至关重要。目前现场应用的临界携液流量模型较多,但是不同模型计算结果差异较大,Turner等模型计算的长北区块气井携液流量偏大,不利于指导生产。通过开展水平井流动模拟正交实验,捕捉典型流态,发现管斜角在45°~60°出现过渡流,通过编制流态识别程序进一步确定管斜角为46°时开始出现过渡流,此时携液最困难。基于液滴理论,引入井斜修正系数,建立了新的临界携液流量模型,新模型在长北区块气井中具有良好的适用性。新模型敏感性分析结果表明,由强到弱影响气井携液能力的因素依次为油管内径、井底流压、井斜角、井底温度。绘制的临界携液流量图版为后期开展停喷井治理措施的时机提供了依据。

考虑射流破碎和液滴形状的喷灌水运动轨迹改进模型构建及验证

喷洒液滴分布特征是模拟喷头水量和能量分布的基础。为解决现有弹道轨迹模型过度简化运动液滴的破碎过程及形状变化导致模型精度不足的问题,该研究改进了弹道轨迹模型的液滴破碎过程、运动液滴形状参数和运动液滴阻力系数,提出了基于能量加权的等效液滴指标,建立了考虑射流破碎和液滴形状的喷洒水运动轨迹改进模型;采用HY50型蜗轮蜗杆式喷枪验证了模型精度,对比了不同模型的差异。结果表明:喷嘴直径20mm和工作压力0.35MPa时,改进模型的平均绝对误差MAE分别比Fukui模型和Li模型的降低了43.3%和75.1%(落地速度)、51.8%和27.1%(落地位置)和61.4%和76.1%(落地角度);以4个验证工况中落地速度为例,改进模型、Fukui模型和Li模型的均方根误差RMSE平均值分别为0.53、0.93和2.21 m/s;归一化均方根误差NRMSE平均值分别为0.10、0.17和0.40。研究可为应用弹道轨迹模拟喷洒液滴分布特征提供新思路。

激波冲击下液滴的雾化特性研究

液滴与激波之间的相互作用存在于旋转爆轰发动机、推进技术和云雾爆轰等应用中.本文目的是探究液滴与激波相互作用时其行为和演变特征,建立可靠的数值计算模型并分析液滴的变形和雾化机理.利用激波管生成不同马赫数的激波冲击液滴并采用高速摄影相机拍摄液滴的演变特征.基于VOF模型和自适应网格技术建立了数值计算模型,将数值计算的结果与实验结果对比验证了数值计算模型的正确性.实验结果表明,在激波作用下,液滴先后经历了变形阶段和雾化阶段.马赫数的增加会显著加快液滴变形和雾化的过程.数值计算结果表明,激波后的诱导气流在液滴表面存在边界层分离现象.边界层分离导致了液滴表面压力分布不均,致使液滴变形和压缩.液滴剥离则是液滴侧面的气流和背风面的驻涡流动对液滴表面的剪切作用共同造成的.

基于格子Boltzmann方法的液滴在圆柱壁面上运动过程研究

采用真实流体状态方程的伪势格子Boltzmann方法大密度比多相流模型,模拟了重力作用下的单液滴在圆柱壁面上的运动过程。计算结果表明,随着圆柱壁面疏水性沿重力方向逐渐增强,液滴运动过程可分为铺展和滑落两个阶段。壁面浸润性分布及其变化率均会影响液滴运动过程,当液滴运动至圆柱下半部分时,其平均速度、最大速度、附着长度和液滴高度等参数随时间变化开始发生分化。此外,当液滴开始及完全运动至圆柱下半部分时,其所受附着力的水平及垂直分量分别达到最大。这些发现为深入理解液滴在圆柱壁面上的运动特性提供了重要的理论支持。

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明:低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。

剪切流中液滴变形及破裂的数值模拟

基于格子Boltzmann颜色梯度模型,针对二维剪切流场中液滴的变形及破裂进行了数值模拟,研究了剪切流动中毛细数Ca、雷诺数Re和流体黏度比λ对液滴变形的影响,并在Re−Ca相图中区分了三种不同的液滴变形或破裂方式。为了进一步掌握界面对液滴内部不同位置流体的作用,引入示踪粒子并分析其在液滴内的运动规律。结果表明:随着Ca的增大,液滴的变形效果和偏转角度更明显,示踪粒子运动受到的影响较大;随着Re的增加,液滴的变形程度加大,但偏转角度受其影响较弱,示踪粒子运动受其影响显著;在低黏度比(λ<0.8)时,液滴会经历大幅度变形过程,当黏度比继续增大,其变形参数反而会减小;示踪粒子离初始圆心距离越近,运动路程越大,受到的剪切作用越大,且其在剪切作用下离界面越来越近,并最终达到稳定状态。

溶质梯度诱导悬浮液滴自驱动的数值模拟研究

悬浮液滴在溶质浓度梯度下会发生自发的移动.其原因是液滴界面处的非均匀分布溶质会使得流体界面上出现界面张力梯度,诱发界面流动.该过程涉及自驱动液滴的界面移动、界面附近流场与溶质浓度场的演化,以及多物理场的耦合效应.认识和理解这一复杂动力学过程具有一定的基础科学意义.文章通过联合守恒型Allen-Cahn方程、不可压Navier-Stokes方程和溶质的对流扩散方程,构建了一套能够描述溶质梯度诱导液滴自驱动现象的多相-多组分流体数值模型.通过算例对照和理论对比(静置液滴的拉普拉斯压差、浮力驱动的气泡上升和溶质浓度驱动液滴的迁移)验证了数值模型的准确性.模拟并研究了不同Marangoni数下溶质Marangoni效应诱导的双液滴融合或分离现象.结果表明,液滴的尺寸越大,移动速度越快,且增大Marangoni数使得自驱动液滴界面传质从扩散主导转变为对流主导,增强了液滴移动对环境溶质场的影响,进而推迟两液滴的融合发生时刻或者减小两者的分离速度.为后续解决多相-多组分流体系统中的物理问题提供了一套可靠的数值模型,为多组分微液滴操控提供了参考数据.

单液滴介观润湿行为理论模型与动态特征

为从介观尺度考察液滴在固体基面的铺展特性,基于格子玻尔兹曼方法(LBM),在D2Q9物理模型中,通过离散速度和作用力,建立单个液滴动态润湿二维模型;利用上述理论模型,结合解析解,验证模型准确性,进一步引入无量纲参数Bond数,表征重力与表面张力相对大小对液滴润湿轮廓的影响,定量分析气-液界面参数和壁面属性对接触角和铺展系数的影响特征。研究结果表明:终态接触角和铺展系数由固体基面固有润湿属性和表面力决定;势能和表面能的相互转化是液滴实现动态润湿的关键,介观尺度下液滴特征半径不大于25时,液滴越大,终态接触角越小,铺展系数越大,一旦超出区间临界值,终态接触角和铺展系数将趋于定值;固体基面属性越大,则亲水性越强,终态接触角越小,液滴越容易铺展;气-液界面属性的绝对值越大,则表面张力越小,铺展系数越大,润湿效果越好。

内部温度及浓度梯度对液滴蒸发模型精度的影响

为研究液滴蒸发过程中内部温度及浓度梯度对蒸发速率计算的影响,该文建立快速混合模型及有效扩散模型。采用两种模型分别计算不同工况下的蒸发过程,得到快速混合模型的相对误差。结果表明,内部温度梯度对蒸发速率计算的影响主要体现在初始阶段,而对蒸发总时间的影响较小。对于含盐液滴的蒸发,虽然析盐之前液滴内部可能具有较大浓度梯度,但对蒸发速率的计算影响较小。总体来看,计算纯水液滴在700℃以下环境中蒸发总时间时可采用快速混合模型;而有效扩散模型可以更好地处理含盐液滴蒸发时盐分析出的过程。

LNG双液滴蒸发模型及应用

液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)在液舱预冷过程中以多液滴的形式存在,现阶段缺少LNG多液滴在同种蒸汽中的蒸发模型。以双液滴为基础,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,建立适用于LNG双液滴在其蒸汽中的蒸发模型。利用该新模型对温差为190 K、相对距离为10~70,粒径为0.1~2.5 mm的液舱预冷过程进行模拟分析,得出具有实际应用价值的结果:在液舱预冷起始阶段温度下降的速度较快,且随着时间的增加,双液滴相对距离越大,液舱预冷结束时间越小;双液滴液舱预冷结束时间与粒径呈反比关系,与起始温度呈正比关系。该新模型可适应于实际工程应用。

喷雾过程液滴碰撞模型研究

对喷雾过程重要环节之一液滴碰撞现象进行了理论研究,在O’Rourke随机碰撞模型的基础上,建立了一个新液滴碰撞模型。模型全面考虑了液滴碰撞反弹、聚合、反射分离和摩擦分离4种情况,并引入粒子球半径概念,根据粒子运动的动量守恒关系求解粒子液滴数密度。将模型用于KIVA程序计算了定容室内的喷雾过程,结果表明新碰撞模型修正了原KIVA模型计算的喷雾前端液滴由于聚合而导致半径较大的误差,并表现出较好的网格独立性。

液滴碰撞聚合模型及其在喷雾燃烧流场中的应用

基于平滑粒子流体动力学方法的思想,建立了新的描述液滴间碰撞和聚合过程的数学模型,将相互碰撞的液滴局限在其周围一定数目的液滴之间,并对液滴间碰撞的概率进行了重新定义。数值计算结果表明:模型从根本上摆脱了O’Rourke模型对计算网格的依赖性,大幅度提高了计算效率和精度。在此基础上考虑液滴的变形、破碎及相变过程,采用Eu ler-Lagrangian方法和有限化学反应速率模型,对RBCC引射模态进行了三维两相喷雾燃烧流场数值模拟,并和实验数据进行了对比。结果表明:在RBCC自由引射模态,二次燃料喷射位置的适当后移会使燃料利用率提高,引射比增加,引射火箭推力增加。

液滴与壁面碰撞模型研究

液滴在运动过程中与壁面发生碰撞后会发生破碎、反弹、附着等现象,这取决于液滴的尺寸、入射速度和角度,以及壁面的粗糙度、温度等因素.为了研究这个问题,在考虑以上因素的基础上,建立了液滴与壁面碰撞模型,并结合欧拉-拉格朗日两相流模型,分别对单液滴、水滴与壁面碰撞的情况进行了数值模拟.计算所得的结果与预期相同,并且与试验结果也吻合得较好,从而证明了所使用的液滴与壁面碰撞模型的正确性和合理性.

液滴碰撞和聚合模型研究

建立了描述液滴碰撞和聚合过程的数学模型,设计了一种高效的计算液滴碰撞对搜索算法,并在已有研究成果的基础上对液滴碰撞的结果做了进一步的发展.借助平滑粒子流体动力学方法两种实现方式各自的优点,将液滴间的相互作用局限在其周围一定数目的液滴之间,并采用积分核函数定义了液滴间碰撞的概率,通过数值模拟探讨了模型的特性.结果表明,所建模型对所采用的计算网格没有明显的依赖性,具有较高的计算精度和计算效率,不但能很好地维持系统动量的守恒性,而且对液滴初始尺寸分布没有明显的依赖性.

油水两相分散流液滴粒径预测模型

油水两相分散流的液滴粒径及其分布在很大程度上影响管路压降等流动参数,研究液滴粒径预测模型对揭示油水两相流的流动特性具有重要意义。通过研究湍流脉动动能与乳状液的界面能之间的平衡、管流径向速度脉动与摩擦速度之间的关系以及泵的剪切作用,建立了油水两相管流中分散相液滴粒径预测模型;在水平管道上对油水两相分散流的液滴特性进行了实验研究,采用高速摄像和显微镜拍摄获得液滴数据,探索含油率、流量和温度等因素对粒径的影响。预测模型计算结果与不同流量、温度和含油率条件下的实验数据吻合较好。根据预测模型计算了有泵和无泵情况下分散流液滴粒径,发现泵的剪切和扰动作用使得分散液滴具有更小的粒径,泵对液滴粒径及其分布起到了显著作用。

剪切流场中液滴形变的三维力学模型初探

分析了油水乳化液中分散相液滴的受力及形变,从理论上提出了剪切流场中液滴形变的三维力学模型。通过实验观测了液滴在由两个同心圆筒形成的旋转剪切流场中的变形情况,并对建立的三维力学模型进行了验证。测量结果表明:实验观测值和理论值有较好的一致性。未加乳化剂时,在z方向上,随着液滴拉伸率的增加,液滴的变形收缩系数也随之增加;与未加乳化剂时相比,加入乳化剂时液滴的变形收缩系数偏离理论值更大;对于有表面活性剂的自由液滴来说,液滴破裂所需要的临界剪切率比没有表面活性剂时要低。

液滴与可变形固面撞击的二维非线性激波模型

在传统的关于液固撞击的激波理论模型中，引入矢量分析的方法，考虑到高速度撞击时，液体运动的迁移性和非线性效应，以及固体的可变形性，提出了一个适用于高撞击马赫数的无量纲激波理论模型。该模型能够计算出所有撞击参数，计算结果与实验数据吻合良好。模型所导出的计算方法物理意义明确，简明准确，适用范围宽广，且便于工程上制成图表查用。

旋流塔板上液滴的运动模型

以液滴离开塔板的初始位置为边缘分布、液滴粒径为条件分布，用概率统计的方法来描述旋流塔板上液滴群运动的边界条件，进而提出其三维模型。该模型不含可调参数，采用四阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法计算，结果得到实验的支持。