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.

降膜吸收CO_(2)水平管外滴状流的脉动特性数值模拟

液滴的瞬态行为对强化水平管降膜吸收CO_(2)装置的性能至关重要。基于VOF(volume of fluid)方法建立了滴状流降膜吸收CO_(2)的二维模型,引入液滴下坠长度与无量纲时间来分析滴状流降膜吸收CO_(2)过程中的液滴脉动与管间距和雷诺数Re的关系。结果表明:液体在换热管下侧堆积直至形成液滴的过程中,受到重力、表面张力与惯性的相互作用,液滴的移动方向出现了多次反转;液滴脉动过程中,由于摩擦阻力的存在,随着无量纲时间的增加,液滴脉动幅度逐渐减小;由于管间距的增加提高了液滴在换热管底部交汇时的动能,导致随着管间距的增加,液滴的脉动次数与脉动幅度逐渐增加;在Re不断增加的情况下,液滴滴落速度的减小导致液滴的脉动次数与幅度也逐渐减小。

基于气液分离的天然气双入口优化设计

天然气井采出的天然气通常含一定量的液体,这些液体不仅会堵塞管线、阀门,影响流量计计量的精确度,而且还会腐蚀设备、管道、仪表,易引起振动,破坏管道结构,严重影响集输生产管道寿命与安全,因此需尽快对采出液进行气液分离。为此,根据油气田现场采出液工况,设计了双入口气液分离器,并采用欧拉多相流模型,耦合标准k-ε湍流模型,对分离器内部的流场分布和分离特性开展了数值模拟研究。研究结果表明:(1)由于双入口的存在,分离器入口处湍流强度较小,流动较为平稳,能够增加入口气液混合液的分层程度,减少分离器下部发生折返的气体流量,进而减少气体出口带液量;(2)当入口液滴粒径大于0.1 mm时,仅有极少量的气体从液体出口流走,能够取得较好的分离效果;(3)随着分流比的减小,液体出口液体体积分数迅速增加,气体出口液体体积分数缓慢增加;(4)入口液体体积分数的变化主要影响分离后气体的纯度,对分离后液体的纯度影响较小。结论认为,在实际应用过程中,对于液滴粒径较小的来液工况,无论入口液体体积分数如何变化,均应调节分流比小于入口液体体积分数,使其液位略高于液体出口,以提高气液分离的效果。

Effect of Sealing Air on Oil Droplet and Oil Film Motions in Bearing Chamber

Beating chamber is one of important components that support aero-engine rotors and research on oil droplet and oil film motions is an important part of bearing chamber lubrication and heat transfer design. Consid- ering the pressure of sealing air is an important operating condition that affects the oil droplet and oil film mo- tions, the effect of sealing air pressure on airflow in bearing chamber is investigated in this paper firstly ; and then based on the air velocity and air/wall shear force, the oil droplet moving in core air, deposition of oil droplet im- pact on wall as well as velocity and thickness of oil film are analyzed secondly; the effect of sealing air pressure on oil droplet velocity and trajectory, deposition mass and momentum, as well as oil film velocity and thickness is discussed. The work presented in this paper is conducive to expose the oil/air two phase lubrication mechanism and has certain reference value to guide design of secondary air/oil system.

eXtended Pom-Pom黏弹性流体的改进光滑粒子动力学模拟

黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中,对其复杂流变特性的研究具有重要的学术价值和应用意义.本文提出一种改进的光滑粒子动力学方法,对基于eXtended Pom-Pom模型的黏弹性流动进行了数值模拟.为了提高计算精度,采用一种不含核导数计算的核梯度修正离散格式.为了防止粒子穿透固壁,提出一种增强型的边界处理技术.为了消除张力不稳定性,将人工应力耦合到动量守恒方程中.运用改进光滑粒子动力学方法数值模拟了基于eXtended Pom-Pom模型的黏弹性Poiseuille流和黏弹性液滴撞击固壁问题,通过与解析解或有限差分方法解的比较以及对数值收敛性的评价,验证了改进光滑粒子动力学方法的有效性和优势,并在此基础上,深入分析了Reyonlds数、Weissenberg数、溶剂黏度比、各向异性参数、松弛时间比和分子链臂数等流变参数对流动过程的影响.

催化裂化沉降器内液滴运动规律的数值模拟研究

催化裂化沉降器结焦将导致非计划停工,严重影响催化裂化装置的长周期运行。首先求取了单位时间沉降器内冷凝的油浆液滴的质量,然后利用颗粒轨道模型对液滴的运动轨迹进行模拟计算,得到液滴的停留时间、运动轨迹和分布区域。模拟计算结果表明,液滴在沉降器内的运动具有很强的随机性,不同大小的油浆液滴的停留时间不同,但大部分的液滴粘附在沉降器内壁和旋风分离器外壁上,进而缩合结焦。加强沉降器的保温可减少油气重组分的冷凝,采用“高温汽提”和“化学汽提”可减少进入沉降器的油气重组分的量,从而减少沉降器结焦。

液滴旋转模型在重力场和均匀流场中的应用

本文主要应用单液滴旋转模型,研究了重力分离空间均匀蒸汽流场中液滴行为,定性描述了均匀蒸汽流场中液滴轨迹,分析了液滴在重力场和均匀蒸汽流场中运动的影响因素。主要讨论了液滴旋转及升力的影响,为液滴旋转模型的定量分析及其应用奠定了基础。

液滴在气体介质中剪切破碎的数值模拟研究

液滴变形和破碎是燃料抛撒问题的重要过程。本文将VOF方法和标准k-ε湍流模型组合,建立了计算液滴在气流中变形破碎过程的数值方法。数值模拟了相关的实验,计算得到的液滴破碎过程与实验结果符合较好。在此基础上,分析了几个关键参数(Weber数、Ohnesorge数、液气密度比)对液滴破碎过程的影响。计算结果表明,Weber数对液滴变形破碎起促进作用,而Ohnesorge数和液气密度比起阻碍抑制作用。

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.

基于紊流条件下的气井临界携液流量计算模型

国内外大部分气田现场通常运用Turner模型与Li Min模型进行携液能力预测,但这2个模型的适用范围具有较大的限制性,均是基于直井和气相层流条件下的推导,没有考虑曳力系数和井斜角对携液能力的影响,将曳力系数视为常数,而紊流条件下雷诺数的不同对曳力系数的取值有较大影响,从而使模型的计算结果误差较大。针对这一问题,首先对定向井中的液滴进行了受力分析,然后对紊流条件下雷诺数与曳力系数的关系进行了非线性拟合,得出了基于气相紊流条件下定向井连续携液临界流量的预测新模型。现场实例计算分析表明:(1)新模型的计算结果相对误差小于10%,相比于常用的计算模型,精度提高了10.416%~66.125%;(2)计算结果与现场实际数据吻合度更高,可以准确预测紊流条件下气井连续携液临界流量。新模型对于提高现场气井的合理配产和最终采收率具有一定的指导作用。

油气分离器内油滴轨迹的数值模拟

采用数值模拟的方法研究分离器内油滴的运动.单相流场采用各向异性的雷诺应力方程模型,气液两相流场采用相间耦合的DPM模型计算,用随机轨道模型对油滴的运动轨迹进行追踪.通过对油滴轨迹的分析,揭示了油滴在分离器中运动的物理机制.结果表明:油滴的轨迹受叶片数量、叶轮转速和油滴粒径的影响很大.

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。

新型洗涤冷却室内的气体带液问题

通过对Texaco水煤浆气化炉新型洗涤冷却室内不同操作条件下气体对液滴夹带量及带出量的测定,得出了气体带液量同床层内气速及气液分离空间高度之间关系的统计模型。研究结果表明,洗涤冷却室内液滴夹带量主要与气液分离空间高度、床层内气速及液位等因素密切相关,带液量随着气速、床层液位的增大而增大,随着分离空间的减小而增大。新型洗涤冷却室内部构件对气体的带液量起到很大的阻拦作用,有效地减轻了洗涤冷却室内气体带水问题。在离气体出口0.1 m左右的范围内,存在一个气体加速区,气量越大,这个区域对液滴的带出量影响越显著。

剪切流场中分散相液滴形变三维力学模型论证

针对乳化液破乳机理研究中剪切流场作用下分散相液滴形变模型选择的问题,通过改进设计内、外桶反向旋转剪切实验装置,并结合数字图像处理技术,从实验的角度率先对液滴变形的基本模型进行验证,实验结果表明,液滴在剪切流场中发生三维力学变形。在此基础上进一步对其变形规律及变形机理进行了一定的实验及理论探讨,提出了液滴形变非仿射度概念。通过对剪切流场中变形液滴表面应力分布进行模拟,提出了更加准确的液滴模型描述方法,为今后精确变形液滴形态数学模型的建立打下基础。

高钙煤灰颗粒与液滴碰撞增湿脱硫过程的模型研究*

为模拟增湿活化反应器内高钙煤灰颗粒的增湿脱硫过程,采用随机轨道模型分别跟踪颗粒群与液滴群,以相邻单元间26条颗粒流通道模型统计未增湿条件下的初始颗粒流量,以液滴群的空间单元捕捉效率为单元体内颗粒流量守恒方程的源项(汇)系数,来迭代各单元通道上的未增湿颗粒流量,耦合煤灰颗粒与液滴群的碰撞过程。并进一步考虑反应器内气、液、固多相湍流物理化学反应过程,建立了三维场内高钙煤灰低温增湿脱硫总体模型,初步预测了高钙煤灰增湿脱硫过程,模型预测与试验结果具有很好的吻合特性。图10参9。

基于流体体积方法的燃油液滴蒸发过程数值模拟研究

建立了基于气液两相流流体体积(VOF)方法的燃油液滴蒸发的数学计算模型,研究了燃油液滴蒸发过程中的传热传质特性及强制对流流场对传热传质特性的影响。研究发现,燃油液滴在蒸发过程中,液滴内部并不是均匀加热,而是热点区域加热较快,其他区域缓慢加热。在初始时刻时,燃油液滴相界面处的蒸气与周围气体之间的浓度梯度较大,因此初期的蒸发速率较快,其谢伍德数Sh也较大。不同气液相温度差能促进液滴的蒸发过程,随着气液相温度差增大,液滴蒸发速率逐渐增大。随着雷诺数的增大,高温热点区域的分界线逐渐模糊,液滴内部加热逐渐趋于均匀。雷诺数越大,液滴的温度越高,但液滴温度差别较小。不同雷诺数能有效促进液滴的蒸发过程。

喷射油滴沉积油膜的流动铺展特性研究

航空齿轮和航空发动机主轴轴承都采用喷油润滑的方式进行润滑,喷射油滴与机械零件表面碰撞后形成的沉积油膜的流动特性影响着机械零件的润滑状态和功能。由于有关喷射油滴与固体表面碰撞形成沉积油膜及其流动铺展特性研究较为鲜见,已有的相关研究集中于液滴/固体壁面正碰撞条件下的非油类液膜流动分析,故而对机械零件相关润滑分析计算支持极为有限。采用VOF方法建立了喷射油滴/固体壁面斜碰撞及其沉积油膜流动铺展数值分析模型,通过试验研究对数值分析模型进行了修正,进而基于此数值分析模型分析了航空传动零件润滑等效条件下喷射油滴/固体壁面斜碰撞沉积油膜流动铺展特性,通过与国外相关试验结果的对比验证了所提出的数值分析模型的正确性和实用性。所开展的喷射油滴沉积油膜的流动铺展特性研究,为航空机械零部件润滑计算提供了技术方法和基础数据,对于实现航空机械零部件精确润滑设计有明显的工程意义。

熔滴热焓量分布模式对熔池流场的影响

通过对熔滴过渡过程的能量和动量分析，建立了熔滴热焓量在表面变形熔池内部的分布模式，以此为基础采用数值模拟技术研究了熔滴过渡类型和表面活性元素对MIG焊接熔池流场的影响，揭示了溶液过渡类型和表面活性元素与HIG焊接熔池流场的相互影响规律。

试验汽轮机末级内湿蒸汽流动特性的实验研究

为了充分了解汽轮机内湿蒸汽两相流的特性,在试验汽轮机末级前后应用光学-气动联合探针(基于消光法的光学探针和四孔楔形探针)进行测量,不仅给出了末级前后流场,湿度和水滴粒径的径向分布,而且给出了末级后相关参数的圆周分布,为理论模拟计算结果的验证和设计计算提供完整的事实依据。在理论分析尾迹涡流特性基础上,进一步定性地分析了尾迹涡流对凝结过程和水滴生长过程的影响。