竖直窄矩形通道内弹状流中液膜特性研究

气液两相弹状流广泛存在于工程领域,弹状流中液膜特性对弹状流模型的建立具有重要意义。为此利用高速摄像系统,对竖直窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内弹状流中液膜进行了可视化研究。实验中发现窄矩形通道中气弹左右两侧窄边液膜厚度不等且存在波动,但其对两侧液膜速度影响较小,两侧液膜速度相等。液膜脱离厚度主要受两相流速及气弹长度影响。液膜脱离速度随液相折算速度增加而增大;在低液相流速时,随气相折算速度增加而减小;当液相流速≥1.204 m/s时,液膜不下落,液膜脱离速度随气相速度变化较小,主要受液相流速影响。     

窄矩形通道弹状流中液弹特性研究

气-液两相弹状流广泛存在于核动力工程中,弹状流中液弹特性对弹状流模型的建立具有重要意义。利用高速摄像系统,对竖直窄矩形通道内弹状流中液弹特性进行可视化研究。研究结果表明,窄矩形通道中稳定液弹可分为3个区域:先导气弹尾流区、主流速度分布恢复区和稳定速度分布区。先导气弹尾流区形成机理为先导气弹尾部液膜壁面射流过程。气弹在液弹中所处区域对其特性影响显著;主流为层流及过渡流态时,尾随气弹特性受先导气弹影响显著。在充分发展湍流工况下,液弹中近壁面处轴向速度趋于稳定所需距离等于最小稳定液弹长度Lmin;Lmin随气弹长度增加而增大,随两相雷诺数增加而减小,其变化范围为9 Dh~17Dh。     

基于漂移流模型的矩形通道内泡状流-弹状流转变准则

以空气和水为工质,对竖直向上矩形通道(40 mm×1.41 mm,40 mm×10 mm)两相流流型特性进行了可视化研究。气液相表观速度分别为0.01~0.59 m/s和0.02~3.72 m/s。基于3个经典的泡状流向弹状流转变准则,考虑矩形通道的尺寸效应,导出了泡状流向弹状流转变时的临界空泡份额为0.23。以窄边宽度2.5 mm为界,将矩形通道分为小通道和常规通道两类,对泡状流向弹状流转变准则进行修正,修正准则能很好地预测实验值。为进一步验证修正准则的准确性和适用性,将修正准则与Mishima、Wilmarth和Sadatomi等的实验数据进行了对比,结果显示修正准则同样具有较好的预测效果。     

水平窄矩形通道内空气-水两相流动中气弹运动特性研究

气弹速度和液膜厚度作为弹状流工况下的关键参数，在传热分析和力学分析中具有重要意义。本文以空气-水为介质，采用高速摄影机和印刷电路板式（PCB）液膜厚度传感器，对高1.9 mm×宽68 mm的水平窄矩形通道内气弹运动特性进行研究。液相雷诺数（Re_l）<2500，矩形通道内为层流区；Re_l≥2500，矩形通道内为湍流区，基于气-液两相混合速度分别拟合了气弹运动速度的预测关系式，结果表明，层流区分布系数（C₀）可采用Ishii 关系式计算且漂移速度为0；而湍流区C₀为1.0。当气弹雷诺数（Re_b）<3100时，气弹底部液膜厚度（δ_b）随毛细管数的增大而增大；而在Re_b≥3100时，δ_b表现出波动性。现有的δ_b预测关系式不适用于窄矩形通道，在考虑通道高宽比的影响下提出了一个新的δ_b预测关系式，对文献中210个数据进行了验证，预测误差均在±20%内。      

矩形通道内泡状流-弹状流转变判定准则研究

以空气和去离子水为工质,对竖直矩形通道内两相流流型特性进行实验研究;矩形通道的横截面为1.41mm×40 mm和10 mm×40 mm,实验压力为常压,气、液相表观速度分别为0.015⁰.59 m/s和0.0250.59 m/s和0.025³.74 m/s。利用获得的实验数据及文献数据,对4种典型泡状流-弹状流转变判定准则进行评价,结果表明4种准则都存在一定局限性。从实验数据及文献数据可以看出,泡状流-弹状流转变临界空泡份额为通道窄边与宽边比(宽高比s/w)的函数。为此,以当量直径10 mm为界,分别提出临界空泡份额计算关系式,从而得到修正转变判定准则。与本文及文献中实验数据的比较,修正准则较4种典型准则精度和适用性有一定提高。     

竖直窄矩形通道内弹状流液弹中分区特性研究

弹状流的液弹部分受气弹尾部影响,其水力特性参数沿流动方向存在分区的不一致性。本文对竖直窄矩形通道中弹状流液弹内参数的分布特性进行了研究。结果表明：液弹内气泡在近壁面附近所受径向力较为平衡,气泡频率较大;随着远离气弹尾部,管道中间气泡频率逐渐增大。根据气泡频率波动变化将液弹分为3个区域,尾流区占液弹长度的40%～45%,过渡区占10%～15%,主流区占40%～50%。尾流区和主流区内,空泡份额呈“三峰型”分布;随着气相流速的增加,尾流区内近壁面处峰值逐渐增大,管道中间峰值逐渐下降,但主流区内情况相反。气泡直径随气相流速的增大而变大,且液弹内气泡聚合和破碎现象较少。     

三面加热窄矩形通道内弹状流截面含气率的实验研究

本文以去离子水为实验介质，对截面为3 mm×43 mm的三面加热窄矩形通道内充分发展的弹状流进行实验研究。借助高速摄影仪对弹状流进行可视化实验观察，观察到弹状流的4种演变行为：弹状流充分发展、夹心型弹状流的形成、小汽弹合并成大汽弹、大汽弹合并成加长型弹状流。分析了部分热工参数对弹状流截面含气率的影响，通过引入雷诺数，对三面加热窄矩形通道内弹状流的实验数据进行非线性回归分析，得到适用于三面加热窄矩形通道内弹状流截面含气率的计算关系式。结果表明，新拟合得到的关系式能较准确地预测三面加热窄矩形通道内弹状流的截面含气率，其预测值相对误差为12.36%。     

摇摆状态下矩形通道内弹状流压力模型

本文通过可视化方法对竖直与倾斜条件下矩形通道内弹状流单元的参数进行研究,尝试给出摇摆状态下矩形通道内弹状流压力模型。通过图像处理给出气弹段空泡份额以及两相速度的计算关系式,并验证漂移流模型在液弹段的适用性,给出弹状流单元的长度份额以及空泡份额的计算关系式。根据实验结果给出摇摆条件下矩形通道内弹状流压力组分的模型,并重点分析摩擦压降模型的适用程度。结果表明,弹状流压力模型可很好地预测摇摆条件下矩形通道内的压力。     

竖直小通道内弹状流气弹长度的计算模型

针对小通道内弹状流建立了气弹长度计算模型,并结合实验研究,对模型进行验证。可视化实验以空气和水为工质,矩形通道截面尺寸为3.25 mm×43 mm,分气、液相Re范围分别为62~360和1255~3707。结果显示,模型的预测值与实验数据具有较好的一致性,平均绝对误差为26.8%。此外,将Mishima和Cheng等的实验数据与计算模型进行对比,实验段包括矩形通道（40 mm×1.07 mm,40 mm×2.45 mm）和圆形通道（D_e=4 mm）,平均绝对误差为34.9%,说明计算模型具有较好的适用性。     

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。     

通道尺寸对竖直向上气-水两相流流型影响实验研究

本文以空气和水为工质,对竖直向上矩形通道(40 mm×1.41 mm,40 mm×10 mm)和圆形通道(D=25 mm)内的两相流流型特性进行了可视化研究。气液两相的表观速度分别为：0.03～24.71 m/s和0.03～3.73 m/s。3个实验段内均出现了泡状流、弹状流、搅混流和环状流4种流型,40 mm×10 mm和圆形通道中流型特征较为接近,与40 mm×1.41 mm通道中流型相比存在明显差别。此外,绘制出了3种通道详细的流型图。对比结果显示,矩形通道窄边宽度对流型转变有显著的影响,随着矩形通道窄边宽度的增加,其流型转变边界更加趋近于圆形通道。     

Modeling of bubble shape in horizontal and inclined tubes

An experimental and theoretical study on the bubble shape of intermittent flow in the horizontal and inclined pipes has been carried out. The experiment results show that the bubble shape depends on the Froude number, bubble length and pipe inclination. The bubble with staircase pattern tail is observed at low Froude numbers, which is corresponding to plug flow. A model for the prediction of the bubble shape in horizontal and inclined pipes is proposed. The model is able to predict the bubble shape, flow pattern transition between plug and slug flow regimes as well as nose-tail inversion phenomenon observed in the downwardly inclined pipe. Validation shows the model can well predict the bubble shapes in horizontal and inclined pipes. The model discloses that the transition between plug and slug flow regimes occurs within a region. The Froude number range for plug flow regime in the downwardly inclined pipe is much wider than that in the horizontal or upwardly inclined pipe. The assumption of fully developed liquid film under the long bubbles tends to under-estimate the liquid fraction in this part of the slug structure, especially, for the intermittent flow in the upwardly inclined pipe with high Froude numbers.     

摇摆状态下气液两相流流型转变的实验研究

通过可视化观察和数码照片对摇摆状态下光滑有机玻璃管内气液两相流流型进行分类和定义,并分析了不同管径、摇摆角度以及摇摆周期对流型之间转变的影响.结果表明:在液相折算流速一样的情况下,管径增加、摇摆周期缩短或摇摆角度减小会使得环状流形成需要更高的气体折算流速;弹状流向搅混流转变所需气相流量则随着管径的减小、摇摆周期的增加或摇摆角度的减小而增加.而在气相折算流速一样的条件下,管径增加、摇摆周期缩短或摇摆角度增大会使泡状流产生需要更高的液相流量.     

可变液膜厚度下垂直塞状流参数预测模型

基于流动机理的分析建立了塞状流参数预测模型;模型中考虑了液膜的厚度变化.分析了液膜厚度变化对预测结果产生的影响,并用公开发表的数据对模型进行了验证.分析表明,若忽略液膜厚度的变化,将Taylor泡简化为圆柱体,会使其长度的预测值偏小,导致压力梯度的预测出现正偏差,且偏差会随气相表观速度的增加而增大.新建模型反映了液膜的流动特性,可对不同来源的数据进行较为准确的预测.     

三面加热窄矩形通道内气液两相流流型研究

以去离子水为工质，对截面为3 mm×43 mm的三面加热窄矩形通道内流型转化过程进行可视化实验研究。借助高速摄影仪记录可视化数据，观察到泡状流、弹状流、搅拌流和气膜塞状流等4种主要流型，并详细描述了各种流型发生时通道内气泡转化的过程。记录不同流型转化时的临界点，绘制出三面加热窄矩形通道的流型图，分析流型图中流型转化边界曲线的趋势及形成机理。将本实验流型图与现有相似通道尺寸流型图进行对比，结果表明：三面加热条件下的流型转化过程与绝热条件下的空气 水流型转化过程差异很大，某些流型转化曲线存在趋势上的不同；由于窄边加热部分的影响，与单面加热通道的流型转化过程也存在明显差异。气膜塞状流在绝热条件和单面加热条件下均未出现。     

Two-phase slug flow in vertical and inclined tubes

Gas-liquid slug flow is investigated experimentally in vertical and inclined tubes.The non-invasive measuremnts of the gas-liquid slug flow are taken by using the EKTAPRO 1000 High Speed Motion Analyzer.The information on the velocity of the Talyor bubble,the size distribution of the dispersed bubbles in the liquid slugs and some characteristics of the liquid film around the Taylor bubble are obtained.The experimental results are in good agreement with the available data.