多孔介質(zhì)通道內(nèi)氣液兩相流動阻力特性實驗

運用流場計算軟件fluent,對軸流泵葉輪內(nèi)氣液兩相三維流場進行了數(shù)值計算,分析了水氣混合工況下的流動參數(shù)分布特點。通過對葉輪流道內(nèi)的靜壓分布及含氣率分布的分析,揭示了氣泡在葉輪流道中的分布特征。研究發(fā)現(xiàn),在不改變?nèi)~片安裝角的情況下,隨著流量的增加,沖角發(fā)生變化,導(dǎo)致氣泡聚積現(xiàn)象從葉片的背面移到葉片工作面。此外,在葉片背面靠近輪轂處和葉片背面的輪緣處易發(fā)生氣泡的聚積。

氣液兩相流技術(shù)是蒸發(fā)冷卻電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題,本文圍繞電機空心導(dǎo)線內(nèi)氣液兩相流動的研究展開論述,從經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃臀ㄏ竽Ｐ蛢蓚€角度敘述了近年來微矩形管道內(nèi)氣液兩相流動取得的進展及存在的問題,并提出了新的研究方向。介紹了蒸發(fā)冷卻電機在中國的發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望

以空氣、水為工質(zhì),對進口和出口水平管內(nèi)氣液兩相流流過閘閥的局部阻力特性進行了研究。管內(nèi)直徑38mm、閥門通徑40mm。根據(jù)實驗結(jié)果,總結(jié)出了空氣和水兩相流體流過閘閥時的局部阻力變化規(guī)律,并與前人的結(jié)果進行比較,提出了閘閥局部阻力修正系數(shù),計算值和實驗符合良好。

采用雷諾時均n-s方程和rngk-ε湍流模型,使用多相流模型中的混合物模型,通過商用軟件fluent,對自吸時旋流自吸泵內(nèi)氣液兩相流場作了數(shù)值模擬.在對蝸殼流道和葉輪流道進行網(wǎng)格劃分時,尺寸扭曲率為0.78.根據(jù)模擬結(jié)果,將泵內(nèi)兩相流場的靜壓分布,與單液相時的靜壓分布作了對比,并比較了葉輪內(nèi)氣相與液相相對速度的分布情況.另外,對含氣率的分布情況作了分析.結(jié)果表明,自吸時氣液兩相狀態(tài)下的靜壓稍小于單液相狀態(tài)下的靜壓;泵內(nèi)的主要流動是液相通過相間作用夾帶氣相的流動,液相速度略大于氣相速度;靠近泵出口的兩個葉道內(nèi),有氣相的積聚,含氣率較高.

文章采用cfd軟件,利用vof氣液兩相流動模型,滑移網(wǎng)格技術(shù)和二階精度迎風(fēng)格式數(shù)值研究了水環(huán)真空泵的泵殼內(nèi)的三維兩相流動特性。文中給出了計算結(jié)果的三維兩相分界面,速度矢量和靜壓等值線分布的分析,結(jié)果與經(jīng)典理論分析結(jié)論一致,驗證了本文數(shù)值計算方法的可靠性。本文工作為理解和掌握水環(huán)真空泵內(nèi)部真實流動特性和提高水環(huán)真空泵的效率提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

采用mixture多相流模型、realizable湍流模型與simplec算法,應(yīng)用cfd軟件fluent對內(nèi)混式自吸泵自吸過程的氣液兩相流進行了數(shù)值模擬。通過分析不同含氣率條件下流場的壓力分布、速度分布、氣相分布,探討了氣液兩相介質(zhì)在泵內(nèi)的運動情況,一定程度上揭示了內(nèi)混式自吸泵自吸過程的內(nèi)部流場變化規(guī)律,為自吸泵的設(shè)計提供更多的參考依據(jù)。

對球形顆粒填充通道內(nèi)的空氣-水豎直向上兩相流動流型進行了可視化實驗研究。實驗段填充球直徑分別為3、5和8mm,氣相表觀流速為0.005～1.172m/s;液相表觀流速為0.004～0.093m/s。實驗觀察得到4種典型流型:泡狀流、串狀流、液柱脈沖流和乳沫脈沖流,并繪制出流型圖,其中脈沖流占據(jù)較大區(qū)域。通過與常規(guī)通道流型圖對比發(fā)現(xiàn):由于填充顆粒的影響,球床通道泡狀流區(qū)域較常規(guī)通道顯著減小。對比3種球床通道流型圖得到:隨著顆粒直徑的增加,串狀流區(qū)域增大;在低液相流速下,對于8mm直徑顆粒,串狀流可直接過渡到乳沫脈沖流。

為克服傳統(tǒng)取樣式多相流量測量方法取樣口易堵塞的缺點,提出了通過管壁取樣測量氣液兩相流體流量的新方法.管壁四周均勻布置4個直徑為2.5mm的取樣孔,并在上游采用旋流葉片將來流整改成液膜厚度均勻分布的環(huán)狀流型,從而增強了取樣的代表性.分析表明,取樣流體中的液相質(zhì)量流量與主流體液相質(zhì)量流量的比值主要取決于取樣孔的數(shù)目和大小,而取樣流體中的氣相質(zhì)量流量與主流體氣相質(zhì)量流量的比值則與主管路液相流量有關(guān).在管徑為0.04m的氣液兩相流實驗回路進行的實驗表明,在實驗范圍內(nèi)液相取樣比為0.049,基本不受主管氣液相流量波動的影響,能夠在寬廣的流動范圍內(nèi)維持恒定.液相流量最大測量誤差為6.8%,氣相流量最大測量誤差為8.9%.

針對低滲透油藏孔隙尺度小、采收率低的問題,采用寬度為200μm、深度分別為1.8μm和4.1μm的兩個矩形通道,結(jié)合數(shù)字顯微攝像技術(shù)和微流體測試技術(shù),對巖層孔隙流動進行了模擬,得到了孔隙通道中單相油以及含油率(體積分數(shù))為10%～60%的油水兩相流的流動特性.實驗結(jié)果表明:對于深度為1.8μm和4.1μm的兩個矩形通道,單相油流動的摩擦系數(shù)低于理論值,并與雷諾數(shù)呈線性關(guān)系;泊肅葉數(shù)小于理論預(yù)測值,通道尺度越小,泊肅葉數(shù)實驗值與理論值的差異越大.油水兩相流流動的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)也滿足線性關(guān)系,在不同含油率時有的高于理論值,有的低于理論值;泊肅葉數(shù)總體隨含油率增加而減小,在含油率為20%與60%時出現(xiàn)跳躍式增長,分析表明泊肅葉數(shù)隨含油率變化是受壁面親水性的影響.

為了獲得管道充氣排液過程的兩相流動狀態(tài),采用vof模型對管道充氣排液工況進行了數(shù)值模擬研究。模型考慮了液體表面張力、壁面粘附力,流體粘度,管壁粗糙度以及氣體可壓縮性效應(yīng),并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù),對兩相界面進行了跟蹤,觀察了這一工況下的氣液兩相混合及界面變化過程,分析了充氣過程中不同時刻的管道內(nèi)壓力分布、氣相體積分數(shù)、管流摩阻和能量交換情況,得到了這一工況下氣液兩相的流動特征。模擬結(jié)果也表明,在進行適當?shù)木W(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置,vof模型可以用于非自由表面的有壓流動的數(shù)值模擬。

設(shè)計了一種新型多圈環(huán)形管用于氣液兩相流參數(shù)的測量,對環(huán)形管上升段水平方向內(nèi)外側(cè)差壓波動信號進行了分析,采用無因次分析方法獲得與差壓波動信號均方根相關(guān)的特征量,建立了此特征量與容積含氣率的關(guān)系模型,并在此基礎(chǔ)上進行了實驗.實驗結(jié)果表明與差壓波動信號均方根有關(guān)的特征量和容積含氣率存在一定的關(guān)系,在考慮到氣體密度的影響之后,引入氣體密度對關(guān)系模型進行修正,建立了差壓波動信號均方根和容積含氣率量綱1的線性關(guān)系模型.在容積含氣率小于0.65時,氣液兩相流的容積含氣率測量誤差小于5%,為氣液兩相流的容積含氣率測量提供了一種方法.

流型是兩相流中非常重要的流動參量,不同流型下的兩相流流動特性及傳熱傳質(zhì)性能有很大不同。流型也嚴重影響著兩相流參數(shù)測量的準確性。利用新近研制的兩相流電導(dǎo)傳感器,在垂直上升氣液兩相流管中采集了不同流型下的電導(dǎo)波動信號,采用wigner-ville分布(wvd)在時頻域內(nèi)處理了電導(dǎo)波動信號,觀察到了wvd特征與流型之間的關(guān)系,取得了較好的氣液兩相流流型辨識效果。

通過利用9-26型高壓離心風(fēng)機,對排粉風(fēng)機在風(fēng)機葉輪不同轉(zhuǎn)速、不同出口速度場條件下的風(fēng)機出口兩相流濃度進行了測量,測量發(fā)現(xiàn)除內(nèi)側(cè)附近區(qū)域外,沿著風(fēng)機出口朝向外側(cè)的方向固相濃度逐漸增高.測量結(jié)果給利用排粉風(fēng)機出口的固相濃度分布特性來進行含粉氣流的濃淡分離提供了參考.

氣液兩相流流型振蕩誘發(fā)制冷循環(huán)不穩(wěn)定性的實驗研究——研究利用變制冷劑流量制冷循環(huán)的實驗平臺結(jié)合流動顯示方法發(fā)現(xiàn)：1)蒸發(fā)器出口的制冷劑氣液兩相流流型存在過熱蒸汽流和霧狀流兩種型式，二者之間存在一個轉(zhuǎn)變過渡區(qū)域，此時，兩種流型閃動交替出現(xiàn)，回氣...

簡要介紹了一種新型氣液兩相流量傳感器———槽式孔板的工作原理,在分析兩相流體與槽式孔板相互作用機理的基礎(chǔ)上,結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和理論模型詳細分析了影響槽式孔板兩相壓降倍率的各種因素.利用曲面擬合技術(shù)給出了能夠準確表征槽式孔板兩相壓降倍率與壓力、氣體froude數(shù)、lockhartmartinelli參數(shù)之間的相關(guān)式,為凝析天然氣計量技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ).

利用tsi-1268w熱膜探針測量了內(nèi)徑為35mm的水平管內(nèi)氣液兩相泡狀流的壁面切應(yīng)力,得到了充分發(fā)展段上壁面切應(yīng)力沿周向的分布數(shù)據(jù)。測量結(jié)果表明,液相中加入氣泡后,在管道下部的壁面切應(yīng)力增大,在含氣率較高的管道上部出現(xiàn)了壁面切應(yīng)力減小的現(xiàn)象。隨著氣相流速的增加,管道上部的壁面切應(yīng)力有較小幅度的降低,管道中下部的壁面切應(yīng)力有較大幅度的增加。

與常規(guī)管通道相比較,流體在多孔介質(zhì)通道中的流動過程更復(fù)雜,流動阻力也大幅增加,這就使得難以準確預(yù)測流體流過多孔介質(zhì)通道時的壓降。通過構(gòu)建多孔介質(zhì)通道的幾何模型,并求解n-s方程,雖然可以準確預(yù)測阻力壓降,但計算時需要劃分大量的網(wǎng)格,很難廣泛應(yīng)用。本文在相似理論基礎(chǔ)上,以fluent6.3為平臺,建立了顆粒填充多孔介質(zhì)通道的壓降預(yù)測模型,通過求解3維n-s方程,對模型中單相水的絕熱流動進行了數(shù)值模擬。通過與實驗結(jié)果進行比較,證明該預(yù)測模型對于不同工況下單相流體的壓降計算具有較高的計算精度,誤差范圍小于5%。

以空氣和水為工質(zhì),對螺旋管內(nèi)氣液兩相流動阻力特性進行了實驗研究,得到了不同工況條件下螺旋管內(nèi)阻力數(shù)據(jù),分析了質(zhì)量流量及干度對管內(nèi)阻力的影響,采用回歸分析法建立了螺旋管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)關(guān)系式,確立了摩擦阻力與相關(guān)物理量的函數(shù)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上建立了螺旋管內(nèi)氣液兩相流動摩擦阻力的計算公式,并用未參加回歸分析的實驗數(shù)據(jù)驗證了該阻力計算公式。結(jié)果表明,螺旋管內(nèi)氣液兩相流摩擦阻力隨干度的增加呈線性增加,隨質(zhì)量流量的增加呈指數(shù)增加,所建立的管內(nèi)摩擦阻力計算公式的計算值與實驗值吻合得較好。

簡述了在氣液兩相流的工況下的調(diào)節(jié)閥的選型,通過對氣液兩相流的工況的分析,計算出其口徑,并對這種工況下閥門的精度及材質(zhì)做了簡單的介紹。

在實驗研究的基礎(chǔ)上,采用小波分析的方法對窄矩形通道內(nèi)兩相流的流型進行有效的識別,為在不可視或不能進行攝影測試技術(shù)特殊情況下提供了有效識別方法。通過可視化觀察發(fā)現(xiàn),窄矩形通道內(nèi)兩相流流型主要有泡狀流、彈狀流、攪混流和環(huán)狀流。采用小波分析法給出了4種流型的功率密度圖,并結(jié)合每種流型的特征及壓差波動特性,對每種流型的頻率分布范圍及最大能量分布范圍給出了界定。因此,利用頻率分布特征值及最大能量分布值可對流型進行有效的識別和判定。

準確判斷輸氣管道內(nèi)氣液兩相流流型是深入輸氣管道工程研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文分別介紹了垂直上行管段和水平管段兩種情況下輸氣管道內(nèi)氣液兩相流的流型的分類方法,分析了影響輸氣管道內(nèi)氣液兩相流流型的主要因素,并研究了目前主要的輸氣管道氣液兩相流流型的監(jiān)測技術(shù),對于輸氣工程研究與應(yīng)用具有重要現(xiàn)實意義。

在可視化觀察的基礎(chǔ)上,實驗研究了矩形通道高寬比對兩相流動阻力和流型關(guān)系的影響。實驗選擇了3種通道尺寸的實驗段,截面寬度相同,全部為43mm,高度分別為1.41、3和10mm,根據(jù)受限因子co,前兩個實驗段屬于窄通道,第3個屬于常規(guī)通道。實驗結(jié)果表明:高寬比不同時,隨著氣相流速的增加,通道內(nèi)兩相流動壓降呈不同的變化趨勢。對于10mm通道,低氣相流量時重位壓降占主要成分,而對于1.41mm和3mm通道,摩擦壓降占主要成分;隨著氣相流量的增大,總壓降中摩擦壓降的比例也增大;對于10mm矩形通道,可利用壓降變化規(guī)律確定攪混流的發(fā)生范圍。