葉輪機(jī)械新一代流型探索

本工作試圖通過幾代機(jī)理外流流型發(fā)展與葉輪機(jī)械流型間的比較研究，對葉輪機(jī)械流型提法及代別別劃分進(jìn)行較系統(tǒng)的分析歸納。比較研究結(jié)果表明，葉輪機(jī)械流型與機(jī)理定常附流型具有本質(zhì)必性區(qū)別，主要由于葉輪機(jī)械流動非定常理所致，與機(jī)理第一代定常附體流型對應(yīng)，現(xiàn)有的葉輪機(jī)第一代流型可改集稱為葉輪機(jī)無控制流型。下一代的流型在機(jī)理上將與機(jī)理，第三代非定常流型有一定關(guān)聯(lián)，但也有本質(zhì)性差異，可改為稱之為葉輪機(jī)械非定常主動控制流型，根據(jù)上述思路，本工作重點(diǎn)是建立葉輪機(jī)械非定常流動模型。包括三維氣動穩(wěn)定模型與三維主動控制模型，并在壓比/流量特性圖上給出了旋轉(zhuǎn)失速邊界預(yù)測值與實(shí)測值之對比，從而說明三維效應(yīng)之重要作用。

流型研究的目的和意義為：不同流型具有不同的壓力、流量特征，也具有不同的傳熱特性，不考慮流型變化的阻力和傳熱特性計算是粗糙和不可靠的?？梢哉f流型是兩相流研究的基礎(chǔ)。50年代Baker等就證明了流動特性計算和流型間的這種依變關(guān)系。

過去，應(yīng)用流型研究的方法為：

(1)進(jìn)行大量的試驗(yàn)；

(2)畫出流型圖；

(3)根據(jù)流動條件在流型圖上確定流型。

現(xiàn)在應(yīng)用流型研究的方法為：

(1)根據(jù)試驗(yàn)和理論分析，探討流型產(chǎn)生、發(fā)展的過程，建立流型轉(zhuǎn)變機(jī)理的數(shù)學(xué)物理模型；

(2)根據(jù)流型轉(zhuǎn)變的機(jī)理來判斷流型；

(3)然后，根據(jù)具體流型的特征來建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)行流動特性和傳熱特性的計算。

流型的分類經(jīng)歷了一個由粗到細(xì)；又由細(xì)到粗的過程。并不是越細(xì)越好；應(yīng)以滿足工程實(shí)際應(yīng)用和兩相流計算的需要為目的，摒棄那些似是而非，沒有顯著特征的流型分類，將其歸并到其它流型中去。流動形態(tài)多種多樣，界限也不是十分清晰。在處理兩相流體力學(xué)問題時；可以人為地分為幾種流動形態(tài)，并且認(rèn)為，在每一種流動形態(tài)范圍內(nèi)，其流體力學(xué)特性是基本相同的。

常用的流型劃分方式一般為兩類，一類是按照兩相管輸中流體的外觀形狀來劃分；另外一類是按照管輸介質(zhì)的連續(xù)性來劃分。

按流體的外觀形狀來劃分流型，其中一種典型的方式是按照氣體輸量由少到多來劃分，依次將流型劃分為氣泡流、氣團(tuán)流、分層光滑流、分層波浪流、段塞流(段塞流)、環(huán)狀流、霧狀流。由于眾專家采用這種劃分方式使用的實(shí)驗(yàn)手段和人為判斷的差異，這類劃分法所劃分的流型不僅數(shù)量不同，甚至連名稱也不統(tǒng)一。

為便于將兩相流問題與比較成熟的單相流流體力學(xué)相聯(lián)系，同時又能將各種不同流型歸結(jié)為較少的幾種模式，相互之間有比較明確的區(qū)分特征，簡化理論研究對象，從管輸介質(zhì)的連續(xù)性出發(fā)，可將流型劃分為分散流、分離流、間歇流三種 。

流型水平管道中

在水平管道中，典型的流型有等，如圖1所示。在低液速范圍內(nèi)，隨著氣速的增加依次發(fā)生分層流、波狀流和環(huán)-霧狀流三種流型；在中等液速范圍內(nèi)，隨著氣速的增大，依次產(chǎn)生長泡流和液節(jié)流；在高液速下，隨著氣速的增大，產(chǎn)生分散氣泡流；在極大氣速時，分散氣泡流向環(huán)一霧狀流轉(zhuǎn)變。

（1）分層流。在液速、氣速都很低時，氣液之間的作用很微弱，液體在管道下部流動，而氣體則在上部流動。兩相都是連續(xù)的。界面是平滑的。當(dāng)氣速增大時，界面上出現(xiàn)一些波紋，但仍屬于分層流。

（2）波狀流。當(dāng)氣速再增大時，波紋變?yōu)榇蟛?。有時掀起的波尖可以舔到管子的拱頂。和分層流的相同處是兩相都是連續(xù)的，不同處是兩相之間的作用加劇了。

（3）環(huán)-霧狀流 。在氣速更加增大時，液層深度越來越淺，已不足以掀起大波， 而被氣流沖散到管壁上， 形成上下不對稱的環(huán)形液膜， 也有一部分液體被吹掃至氣流中成為霧沫。 氣相是連續(xù)的。 在氣速更高的條件下，液膜可能不再存在， 這就是單純的霧狀流。

（4）長泡流。在低氣速時，氣體以長形氣泡的形式緊貼在管道上壁向前移動。有的文獻(xiàn)中用活塞流 ( Plug Flow)名稱。也有的文獻(xiàn)將這種流型稱為氣泡流(Bubble Flow) 。在長泡流中液體是連續(xù)相。

（5）液節(jié)流。如再增加氣速，長泡增大，其截面可增至接近管子整個面積，液體被分成一節(jié)節(jié)地向前移動，從而形成液節(jié)流。

（6）分散氣泡流。在高速流動的液體中， 氣體被分散成小氣泡， 比較均勻地分布在管截面上。有的文獻(xiàn)中稱它為泡沫流 ( Froth Flow ) 。也有將它和長泡流混為一談的，統(tǒng)稱為氣泡流。分散氣泡流的液相是連續(xù)的。

流型垂直管道中

在垂直管內(nèi)，典型的氣液兩相向上流動時發(fā)生的流型有氣泡流、液節(jié)流、泡沫流和環(huán)-霧狀流等，如圖2所示。