加热上升管内过冷流动沸腾数值模拟

采用计算流体动力学（CFD）程序CFX4.4对加热上升管内过冷流动沸腾工况下气水两相流动局部两相流参数（空泡份额和汽泡尺寸）进行了数值模拟。对数值差分方法、相关模型（界面力和气泡诱导的紊流）和汽泡尺寸进行了敏感性分析。空泡份额分布计算结果与实验结果比较表明,在低空泡份额工况下,两者符合较好,在高空泡份额工况下两者存在一定偏差,并且气相速度和汽泡尺寸的计算结果不理想。计算结果与实验结果之间的差异说明程序模型对于加热上升管内过冷流动沸腾模拟并不完善,建立更为合理的汽泡尺寸模型,考虑汽泡的合并和撕裂是必要的。     

垂直上升绝热管内汽液两相流截面含汽率的确定

本文提出在蒸发过程中汽、液两相流的流动机构为泡状流和弹状流。根据汽泡、汽弹在静止液中的上升速度,求得了上升流体中汽泡和汽弹的上升速度。得出泡状流和弹状流截面含汽率的计算式。用γ射线法对蒸发过程中汽、液两相流截面含汽率进行测试,并确定了式中的待定系数。     

基于群体平衡原理的蒸汽发生器汽液两相流动与沸腾数值模拟

基于相似原理建立了耦合四叶梅花形支撑板的蒸汽发生器“单元管”三维物理模型。采用考虑汽泡聚合与破碎效应的MUSIG （multiple-size-group）模型描述二次侧汽泡尺度分布和水力特性,热相变模型计算二次侧汽液两相沸腾相变过程,对大亚湾蒸汽发生器汽液两相流动与沸腾过程进行数值研究。模拟结果表明,支撑板位置处汽、液相流速均急剧升高,产生射流,在离开支撑板孔口时迅速形成回流。两相邻支撑板间出现明显的汽泡由小到大的周期性变化过程,冷、热端沿程汽泡最大直径缓慢减小。二次侧平均传热系数与Rohsenow经验关联式的计算结果吻合较好。     

金属板波填料板片上开孔孔型对气流径向混合的影响

在两相流工况下,对两种孔型板波填料作气流的径向分布性能的实验研究。提出用液气动量比来反映不同操作工况条件。对比结果表明,桥孔比圆孔更有利气流的径向扩散。     

金属板波填料板片上开孔孔型对气流径向混合的影响

在两相流工况下，对两种孔型板波填料作气流的径向分布性能的实验研究。提出用液气动量比来反映不同操作工况条件。对比结果表明，桥孔比圆孔更有利气流的径向扩散。     

附加惯性力作用下竖直矩形流道内过冷流动沸腾的数值模拟

摇摆条件下附加惯性力的作用会对两相流动的压降及汽泡受力产生影响。考虑相变能量和质量输运,采用流体体积(VOF)多相流模型对附加惯性力条件下竖直矩形流道内过冷流动沸腾进行了数值模拟。汽液界面位置通过分段线性插值(PLIC)的方法获得。模拟结果获得了孤立汽泡周围压力、速度、温度分布以及二次流动现象,分析了汽泡聚合过程汽泡形态及内部速度矢量的演变过程,模拟结果与文献中结论吻合良好。附加惯性力作用使得流动压降比静止条件下要大,过冷流动沸腾压降由于汽相产生会在单相流动的基础上产生波动,且热通量越大,压降波动幅度越大。摇摆产生的附加惯性力相对汽泡所受的其他力而言可以忽略不计,而摇摆导致的流量波动会改变汽泡受力大小,进而影响沸腾换热。     

乙醇脱水塔内两相和三相共沸精馏

研究了乙醇脱水塔内的两相共沸精馏和汽液液三相共沸精馏过程。利用Aspen plus模拟软件对乙醇脱水塔内4种工况的精馏曲线、共沸剂浓度分布、回流量和再沸器能耗进行了分析比较。结果表明,苯做共沸剂时,脱水塔内两相共沸精馏和汽液液三相共沸精馏的精馏曲线、共沸剂浓度分布、回流量和再沸器能耗相近,脱水塔精馏曲线都跨越了精馏边界,并且共沸剂在塔内大多数板上都有较高浓度分布。而环己烷做共沸剂时,两相共沸精馏工况和汽液液三相共沸精馏工况条件下的脱水塔内精馏曲线、共沸剂浓度分布、回流量和再沸器能耗有较大差别。汽液液三相共沸精馏工况条件下,环己烷在塔内大多数板上有较高浓度分布,起到较好的脱水作用,而两相共沸精馏工况条件下脱水塔内共沸剂仅分布在塔顶几块塔板上,塔内多数板上没有起到共沸剂作用。     

跨临界CO2在短管内的非平衡流动特性

建立了跨临界CO₂在短管内流动的两流体模型和均相流模型.两流体模型考虑了汽液两相间的速度滑移和温度差异,而均相流模型则认为汽液两相的速度和温度相同.分别用两种模型进行了计算,并与实验数据进行了对比.结果表明：两流体模型90%的流量计算值与实验值偏差在±20%以内,并能合理预测压力的沿程分布;均相流模型对流量的预测结果与两流体模型接近,并未因忽略非平衡特性而严重偏低.另外,汽液两相温度差异和速度滑移的分布计算结果也证实了短管内跨临界CO₂流动的非平衡性并不显著.本文从理论上对此现象进行了解释.     

垂直受热通道内汽液两相流压降的测定与估算

本文应用带扩大室及毛细管的U管压差计对垂直受热通道内汽液两相流压降进行了测定,作出了实测压降及实测液体循环质量流速与热通量的关系曲线。同时,针对不同结构尺寸的受热通道,利用实测的有效加热功率及液体循环流量数值对汽液两相流压降进行了计算,计算值与实测值吻合较好。     

水平管泡状流相分布特性

<正>气液两相泡状流的主要特征是连续液相中携带散布其中的细小气泡,气泡的存在不仅对气液两相流的传热、传质及阻力特性有很大的影响,而且对两相流动的稳定性也有很大的影响.前人有关泡状流的研究大多偏重于两相流的平均参数,对于两相流局部统计参数如局部空隙率等参数的变化规律是近年来两相流研究的新趋势.对于垂直管内的流动已经积累了相当数量的数据,而同样有广泛应用的水平管内相分布规律还知之甚少.气泡对气液两相流的传热、传质及流动结构影响机理的研究必须以了解相分布及气泡的局部统计参数为前提,同时对相分布特性的深人研究也为气液两相流的数学模型化提供实验依据.本文以空气、水为工质,研究水平管内气液两相流的相分布特性,给出了典型泡状流的时域信号图,研究了相分布随气液两相流量的规律变化,并与前人的有关结果进行了比较.     

静止液相中气泡上升过程的分布特性

引　言两相流动现象在石油、化工、冶金、动力以及原子能等工业中普遍存在 .然而两相流动体系极为复杂 ,要认清其现象规律 ,建立合理的模型对其流动特性进行准确的预测分析 ,首先要解决的便是两相流测量技术问题 .早期人们对两相流的测量与研究主要针对总体参数 ,如截面平均空泡率 .实际上 ,对于流道内相同截面平均参数的两相流动 ,可能其气泡的径向分布不同 ,这将产生不同的两相流动形态 ,进而对传热以及摩擦压降等产生不同的影响 .近年来 ,随着计算机功能的日渐强大 ,已可以提供对两相流更加精细的计算 ,两相流模型也由最初的均相流模型发…     

Use of models for lift, wall and turbulent dispersion forces acting on bubbles for poly-disperse flows

Closure laws are needed for the qualification of CFD codes for two-phase flows. In case of bubbly and slug flow, forces acting on the bubbles usually model the momentum transfer between the phases. Several models for such forces can be found in Literature. They show, that these forces depend on the liquid flow field as well as on the size and the shape of the bubbles. A validation of consistent sets of bubble force models for poly-disperse flows is given, basing on a detailed experimental database for vertical pipe flows, which contains data on the radial distribution of bubbles of different size as well as local bubble size distributions. A one-dimensional (1D) solver provides velocity profiles and bubble distributions in radial direction. It considers a large number of bubble size classes and is used for the comparison with the experiments. The simplified model was checked against the results of full 3D simulations done by the commercial code CFX-5.7 for simplified monodisperse cases. The effects of the number of bubbles classes as well as the effect of the lateral extension of the bubbles were analyzed. For the validation of bubble force models measured bubble size distributions were taken as an input for the calculation. On basis of the assumption of an equilibrium of the lateral bubble forces, radial volume fraction profiles were calculated separately for each bubble class. In the result of the validation of different models for the bubble forces, a set of Tomiyama lift and wall force, deformation force and Favre averaged turbulent dispersion force was found to provide the best agreement with the experimental data. Some discrepancies remain at high liquid superficial velocities.     

竖直大圆管内界面面积浓度分布特性

采用光纤探针测量方法对垂直上升管中空气-水两相流动的界面面积浓度（IAC）分布规律进行了研究。实验选用圆管直径为100mm和50mm(分别属于大管径和过渡管径范围)。气相、液相表观速度的范围分别为 0.01～1.0 m?s-1和 0～1.0 m?s-1。首先通过高速摄影获取的影像数据对光纤探针法的测量精度进行评价,并在此基础上对光纤测量方法进行了标定,然后利用实验获得了IAC、索特平均直径（气泡直径）径向分布情况。通过对比分析两个圆管管内IAC、气泡直径分布特点,得到了管径的尺度效应对IAC及气泡行为的影响规律。利用获得的IAC数据,对几类IAC计算模型进行了评价,并基于Hibiki-Ishii（2002）模型,通过实验数据拟合,得到了更高计算精度的IAC计算关联式。     

Local Measurement of Gas-Liquid Bubbly Flow with a Double-Sensor Probe

A double-sensor probe was used to measure local interfacial parameters of a gas-liquid bubbly flow in a horizontal tube. The parameters included void fraction, interfacial concentration, bubble size distribution, bubble frequency and bubble interface velocity. The authors paid special attention to the probe design and construction for minimizing measurement errors. Measures were also taken in the design of sensor ends for preventing corrosions in the flow. This is an effort to improve the current double-sensor probe technique to meet the ever-increasing needs to local varameter measurements in gas-liquid two-phase flows.     

下喷自吸环流反应器内局部气泡平均直径及其径向分布

引　言喷射环流反应器因具有规整的流型、良好的分散效果、相对低的功耗及较好的相间传递特性等优点 ,而广泛应用于化学工业、生物及环境化工领域 ,如发酵、废水和废气处理等 ,以及化学工业中众多的多相反应[1,2 ].鉴于下喷环流反应器和自吸各自的特点 ,文献 [3]开发出了新型高效反应器———下喷自吸环流反应器 ,并对该反应器性能进行了系统的研究 .开展下喷自吸环流反应器内局部气泡大小及其分布的研究 ,不仅对了解该反应器内混合、相间作用和相间耦合的微观流动与传质机理及其传递特性具有极其重要的意义 ,而且也为此类反应器的工业放大…     

扰流型喷枪顶吹管内特殊两相流流型实验

主要对自主设计的渐缩管、渐扩渐缩管、螺旋管和四孔管进行水-空气两相流混合顶吹实验,并得出了扰流型喷管的管内流型变化规律。实验通过对可视化特殊喷管内的气液两相进行高速拍摄,并调节水与空气两相各自的体积流量,获取不同喷管中出现的特殊流型照片及视频。实验结果表明：在表观气速和表观液速变化时,除渐缩管外,其他特殊喷管的流型转变均有一定规律性;渐扩渐缩管内截面半径变化较大,易产生环状-搅拌流,并有典型泡状流出现,螺旋管由于轴向环流速度的影响,会产生大密度泡状流并逐渐过渡到有旋流趋势的环状流型,特殊结构的四孔管中流型较稳定,短暂出现泡状流、弹状流后形成稳定环状流。四孔管的设计最利于冶金熔炉中柴油-氮气混合两相流喷吹,形成的气泡群中单个气泡直径较小,柴油被充分细化打散,渣层中的还原反应更充分,能有效提高柴油对渣层中磁性铁的还原率。     

对称分支并行微通道中气液两相流的均匀性规律

采用高速摄像系统研究了对称分支形并行微通道内气液两相流及弹状气泡均匀性规律。实验中分别采用含0.3% SDS的甘油-水溶液与氮气作为液相和气相。观察到弹状流和泡状流两种流型,作出了由两相操作条件构成的流型图及流型转变线。结果表明,气泡非均匀性主要由两微通道内流体之间的相互作用、下游通道中流体动力学的反馈作用以及通道制造误差造成。随液相黏度增大,气泡均匀性变好;在高液相流量以及低气相压力下操作,气泡尺寸分布更易达到均匀。基于压力降守恒原理和微通道内气液两相流阻力模型,构建了两通道中气泡尺寸的预测模型。     

弹状流液弹区含气率分布的试验研究

采用光纤探针法和高速摄影法对垂直上升气液两相弹状流的液弹区含气率分布进行了试验研究,测试管径为15 mm。一种基于机器学习的图像处理技术用来识别气液两相界面,通过搭建气泡边界提取的神经网路系统,使用构建的气泡边界数据库对模型进行多次迭代训练,该方法可以有效地识别多种复杂类型的气泡边界。试验得到了弹状流液弹区的径向含气率分布曲线,结果表明,壁峰分布是液弹区含气率分布的主要形式,其中泰勒气泡的尾迹效应对分布形式有重要影响,尾迹的旋涡中心和含气率分布的峰值相对应。针对弹状流液弹区径向含气率分布的两个主要特征——中心局部含气率和壁峰位置,分别提出了相应的预测公式,且与本文的试验数据吻合良好。     

渐缩渐扩管内径向颗粒浓度不均匀性的实验研究

流动结构的不均匀性是气固两相流反应器的主要弊端之一。采用变截面反应器，使沿流向速度不断变化，从而达到流场均匀的目的，实验结果表明，变截面反应器内流场均匀性得到很大改善，颗粒浓度趋于均匀。