用气泡直径概率密度分布和气泡空间频率分析方法识别不可视通道内两相流流型

时域波形及其分析技术是不可视管道内两相流流型识别的常用方法。由于这一技术受到气泡流速的影响,容易造成流型识别的混淆。两相流流型分类的直观物理几何意义在于气泡空间尺度(相对于流道水力学当量直径)及其分布。本文论述了流型识别的空间处理技术(气泡的空间波形、气泡相对直径概率密度分布和空间频谱分析),从而使流型识别建立在流型分类的直观物理意义之上。本交给出了用电导探针作传感器,用空间处理技术识别流型的实验结果。空间处理技术识别流型的显著特点是物理意义上的直观和明晰。     

用差压信号空间特征频率Sr鉴别两相流流型

压差脉动分析方法是两相流流型识别的常用方法,通过频域特征峰辨识流型会受到气泡速度的影响,而混淆泡状流和间歇流。从两相流流型的空间几何意义出发,利用差压计作传感器,提出用标准空间特征频率斯特罗哈尔数Sr作流型识别的定量依据,斯特罗哈尔数Sr识别流型具有明确的物理意义。给出了这一空间处理技术辨识流型的实验结果。     

用空泡份额概率密度分布识别承压管道中两相流流型

用局部空泡份额概率密度分布识别流型是一种不可视管道内两相流流型识别的方法，这种流型识别建立在流型分类的直观物理意义之上，并避免了流速的影响。本文给出了用差压传感器信号进行承压管道中局部空泡份额概率密度分布分析，进而识别汽水两相流流型的研究成果，测量仪器装置简单、可靠性高。实验研究是在核供热堆热工水力学实验系统ＨＲＴＬ－５上进行的，试验工作压力为１．５ＭＰａ，工作温度１９０℃。     

双探头光学探针识别受热工况两相流流型的基本方法研究

由于流型识别手段受到限制．目前常用的流型图以及流型转变判据．都是在绝热工况下根据实验得到的；关于受热工况两相流流型还没有足够的实验数据。光学探针的运用为受热工况两相流流型的研究提供了有力的测量手段。本文对双探头光学探针4种流型识别的基本方法进行了研究，包括探针原始电平信号概率密度函数(PDF)分析识别流型、信号时序波形识别流型、空间波形识别流型以及汽泡尺寸PDF分析识别流型。研究结果表明，汽泡贯穿弦长PDF分析可得出满意的流型识别结果。     

文丘里气泡发生器内气液两相流流型及压降实验研究

针对一类文丘里气泡发生器内气液两相流动的流型及压降开展了实验研究。通过可视化实验观测区分了气泡发生器内3种基本流型,包括泡状流、弹状流和柱状流。实验发现,随着两相流从弹状流转变为柱状流,气泡发生器内压降迅速增大。通过对压力信号的时频分析,证明气泡发生器出口位置最有利于压力信号的在线监测。从压力信号中提取了与流型转变紧密相关的概率密度函数相对峰度和功率谱密度差异系数,并分别应用于弹状流-柱状流和泡状流-弹状流流型转变的识别。由于已有的压降模型无法准确预测文丘里气泡发生器的整体压降,为此本研究提出了新的压降预测方法。新关联式考虑了气泡发生器内部分单液相流过程以及流型转变对压降预测的影响,预测值与实验测量结果吻合较好,相对均方根偏差约为10.74%。     

螺旋管内气—水两相流流型转换的研究

本文叙述螺旋管内气水两相流流型及其转换,并给出了流型图;系统地研究了螺旋直径及螺旋上升角对流型转换的影响;通过因次分析及实验数据整理提出了三个准则关系代,以确定在不同流动条件下螺旋管内的流型转换。     

空气-水在垂直非圆截面通道内流型研究

采用可视化方法研究了水力直径分别为15mm和10mm的两种正方形截面、14.43mm的三角形截面以及14mm的圆形截面通道内空气-水垂直上升流动,表观气速0.04～80m/s,表观水速0.001～6m/s.观察到了泡状流、弹状流、块状流、环状流和弥散泡状流等常见流型.此外,在表观气速很大而表观水速很小时,在非圆截面通道内发现了爬动流,证实了非圆截面直通道内存在"二次流"现象,且对气-液两相流动的相分布有较大影响,证明截面形状对两相流流型及其转变具有重要影响.由实验得到了流型转变界限,并首次获得了包括爬动流的两相流流型图.比较本文的实验结果及与前人的研究结果对比发现,水力直径的大小对两相流流型的转变具有一定影响.     

垂直上升矩形流道内气液两相流流型图的数值模拟

两相流流型在分析换热、流动不稳定性以及临界热流密度方面具有基础性作用.本文基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,对垂直上升矩形流道内气液两相流动进行数值模拟,表观气速0.1～110 m/s,表观液速0.1～3.2 m/s.得到了流道内气液两相流的主要流型:泡状流、弹状流、搅混流和环状流,分析了流道内截面含气率分布与流型的对应关系,以及截面含气率与气液两相流容积含气率的关系;分析了各种流型下的压降分布特性,并绘制了基于气液表观动能通量的不同流量下气液两相流的流型图,直观的表示出各种流型的分布区域及各流型间的流型转换边界,与已发表文献的实验结果对比符合较好.     

竖直窄矩形通道气液两相流流型识别研究

在实验研究的基础上,采用小波分析的方法对窄矩形通道内两相流的流型进行有效的识别,为在不可视或不能进行摄影测试技术特殊情况下提供了有效识别方法。通过可视化观察发现,窄矩形通道内两相流流型主要有泡状流、弹状流、搅混流和环状流。采用小波分析法给出了4种流型的功率密度图,并结合每种流型的特征及压差波动特性,对每种流型的频率分布范围及最大能量分布范围给出了界定。因此,利用频率分布特征值及最大能量分布值可对流型进行有效的识别和判定。     

受热管内空泡率空间分布与流型的关系

介绍了运用RBI双探头光学探针,在加热上升管内对蒸汽-水两相流空泡率径向分布测量的情况,同时对不同实验工况下两相流流型进行了识别。根据实验结果,总结出加热上升管内空泡率径向分布与流型的关系。     

静水中单气泡运动特性实验研究

气泡运动特性是两相流研究的重要领域之一。本文基于图像识别技术对静水中单气泡的上升过程及其动力学特性进行研究，分析了不同等效体积直径下气泡上升过程中轨迹、变形程度、瞬时速度等参数。研究结果表明：椭球型单气泡上升过程中横向振荡幅度峰值与横向速度峰值呈正比，瞬时纵横比与瞬时纵向速度呈反比；单气泡横向运动位置、纵横比、上升速度具有周期性变化的现象。通过定量分析气泡末速度与等效体积直径的关系，对已有预测关系式进行了比较和评价，并基于实验数据拟合得到了一个更为精确的显式末速度关系式。     

低压自然循环系统中的流型实验研究

在5MW低温供热堆热工水力学实验台架HRT-5上,以水为工质,进行了低压自然循环两相流流型及流型对密度波不稳定性影响的实验研究。结合可视化观察,利用局部差压信号进行流型鉴别。提出了Sr数可以很好地鉴别不同流型,具有明确的物理意义。描述了系统压力为1.5MPa,0.24MPa及0.1MPa下不同工况的流型,认为在1.5MPa工况下发生低干度密度波不稳定时,流型为泡状流,无流型转换,在流型为泡状流向间歇流过渡区时不会引起密度波不稳定。分析了常压稳定闪蒸时上升段出口的流型。在低温供热堆全参数、全尺寸模拟系统中,进行两相流流型的分析研究,对充分认识低温供热堆中各种工况下的流动形态提供了直接的有价值的成果。     

低压自然循环系统中的流型实验研究

在5MW低温供热堆热工水力学实验台架HRTL-5上,以水为工质,进行了低压自然循环两相流流型及流型对密度波不稳定性影响的实验研究。结合可视化观察,利用局部差压信号进行流型鉴别。提出了Sr数可以很好地鉴别不同流型,具有明确的物理意义。描述了系统压力为1.5MPa,0.24MPa及0.1MPa下不同工况的流型,认为在1.5MPa工况下发生低干度密度波不稳定时,流型为泡状流,无流型转换,在流型为泡状流向间歇流过渡区时不会引起密度波不稳定。分析了常压稳定闪蒸时上升段出口的流型。在低温供热堆全参数、全尺寸模拟系统中,进行两相流流型的分析研究,对充分认识低温供热堆中各种工况下的流动形态提供了直接的有价值的成果。     

基于AFSA-RF的两相流型图扩展技术

为预测高流速条件下的流型并建立流型图,提出一种基于人工鱼群算法(artificial fish swarm algorithm, AFSA)优化的随机森林(random forest, RF)的机器学习模型,基于最优、简化参数出发,进行流型的智能识别。该模型成功地应用于竖直下降两相流流型的识别,通过不同分类模型以及优化方法对实验数据进行计算,发现AFSA-RF模型的流型识别精度与稳定性高于未优化的RF模型以及其他主流优化方法,对高流速区域的流型的识别成功率达到了90.91%,进一步验证了该预测模型的有效性。依托建立的模型,对现有流型图的适应范围进行了扩展,获得了适用于高流速条件下的流型图。     

中压沸腾工况相径向分布实验研究

采用高温高压单探头光学探针．在中压沸腾工况下进行了局部空泡率与汽泡频率径向分布特性实验研究,并根据探针信号对两相流流型进行了识别,分析了中压沸腾工况下空泡率径向分布与流型的关系。研究结果表明：随热平衡含汽率增加,整个直径方向上空泡率分布从近U形向鞍形和弧形发展;汽泡频率则以近U形分布为主;泡状流工况下,空泡率呈U形或近壁区显著高于中心区的鞍形分布,弹状流工况下,中心区空泡率略低于近壁区。整个直径上空泡率呈弧形分布。     

摇摆状态下窄矩形通道内两相流流型特性研究

以空气和水为工质,在40mm×1.6mm的窄矩形通道内对竖直状态和摇摆状态下两相流流型进行了研究。流型由拍摄照片辨别,实验通道内观察到的流型有泡状流、弹状流、搅混流和环状流,绘制出窄矩形通道内的流型图,并与常规尺寸圆管内两相流型进行了对比。摇摆对窄矩形通道内流型的影响与常规尺寸圆管相似,但由于狭小空间的限制及表面张力的作用,摇摆对两相流动并无明显影响。     

摇摆对水平管内气液两相流流型的影响

本文对水平放置在摇摆台架,随台架做偏离水平位置的左右往复运动的管内空气-水两相流流型进行了实验研究.实验发现,低流速时,摇摆状态下水平管内流动变得很小稳定,流型发生周期性的改变:当水平管处于倾斜向上或倾斜向下状态时,管内流型分别有些近似于非摇摆的稳态倾斜上升或倾斜下降管内流型,并且流型转变要经历一个发展的过程,发展快慢与气相和液相流速大小有关;而在高液相或高气相流速时,摇摆状态下与非摇摆稳定状态下的两相流流型相近,主要有泡状流、间歇流(弹状流和准弹流)和环状流.根据可视观察以及气液界面在一个摇摆周期内的整体特征和部分时间段的局部特征,定义了不同流动条件下气液两相流的流型,给出了摇摆状态下水平管内气液两相流流型图.     

基于非监督机器学习方法的竖直环形流道流动沸腾流型研究

研究流动沸腾两相流动形态对封闭反应堆安全分析程序关键本构模型具有重要意义。本文基于非监督机器学习流型识别方法，提出将两相流物理知识融入数据驱动的机器学习模型，并构建输入特征的挑选原则：(1)机器学习在输入特征中捕捉到的应为流型相关信息；(2)机器学习的聚类准则应包络该流型下输入特征的所有可能性。依据挑选原则分析电导探针信号生成的汽泡分布特征，确定汽泡弦长累积分布函数数据可用于非监督机器学习流型判断。依据流型识别结果，获得了竖直环形流道内流动沸腾的二维局部流型特性，发现高位局部流型出现在流道中心位置并偏向内加热壁面；并判别了流道截面的全局流型，结果表明流动沸腾泡状流至弹状流的流型转变出现在空泡份额约为0.14位置。     

压差波动特性识别流型研究

提出了一种基于小波分析的气液两相流流型模糊识别的新方法。该方法以加热段管程压降ΔP的波动信号作为测试信号,进行基于三阶的Daubechies小波二尺度分解,根据所得的二尺度细节系数的均方值确定了流型的识别方法。研究结果表明,这种识别方法能有效地实现气液两相流中泡状流、弹状流的识别。     

管束通道内沸腾两相流特性的研究

以R113为工质,采用高速动态分析仪对垂直管束通道内的沸腾两相流型及其转变特性进行了实验研究。对管束狭窄通道内沸腾两相流型进行划分,并与圆管内的两相流型进行比较,在此基础上对通道几何形状及物理参数对管束通道内沸腾两相流型及其转变特性的影响进行分析,为进一步对管束通道内流型判定、沸腾换热及阻力压降的研究奠定了基础。