气力提升系统管道压力实验研究

在实际应用中,受环境作业影响,气力提升不可避免地采用弯曲管道。有鉴于此,该文采用数据采集测试系统通过压力传感器对三种不同提升管内压力进行实验研究,探讨其局部弯曲位置对气力提升性能的影响,分析管内的压力波动特征,进而阐明其中流型的变化机理及规律。实验结果表明:气力提升性能受运行参数和结构参数的影响显著;管内压力时域图因气流量和淹没率变化而显著改变,在弹状流时呈现明显的低频、大幅振荡特征;且存在压力变化转折点;由时域图和压力分析可知管内流型发生两次转变;C型提升系统率先进入弹状流,故管道局部弯曲位置应在进气口之下为宜。     

多管式气泡泵提升性能影响因素理论与试验研究

为了能够更加准确地掌握影响多管式气泡泵提升性能的参数,提升Einstein制冷循环的性能。在大气压下以饱和水为工质,建立了多管式气泡泵工作的理论模型,并通过试验开展了多管式气泡泵提升性能影响因素的研究。重点分析了提升管数量对气泡泵液体提升量和提升效率的影响。试验结果与理论值基本趋势一致,采用多管式气泡泵和单管式气泡泵相比较,提升管数量的倍增,并不会带来液体提升量和提升效率呈相应倍数的增加。加热功率较小时,提升管数量越多,效率越小;随着加热功率的增加,提升管数量越多,效率越大。     

孔口出流气泡运动特性数值模拟

为了研究连续供气条件下,气泡运动特性与孔口进气速度、孔口直径的关系,对孔口出流气泡在静水中上升运动过程进行了研究,采用OpenFoam开源程序计算得到的静水中气泡上升运动模拟结果与试验结果吻合较好。通过改变孔口进气速度、孔口直径,分析了气泡的脱离时间和脱离直径,对比了初始球型气泡与孔口出流气泡的上升运动差异,提出可将相对速度B用于描述初始气泡终速度与孔口进气速度的关系,并采用不同无量纲参数对气泡运动相对速度进行了预测。结果表明:We数及Re数对气泡运动相对速度B的预测效果较好,气泡初始状态对气泡运动轨迹影响较大。研究成果进一步丰富了气泡运动相关领域的成果,为下一步精细刻画气泡复杂运动开创了思路。     

交错气泡运动特性数值模拟研究

为了进一步探讨交错气泡运动形变特征及运动过程,采用Open FOAM开源计算流体力学软件,利用VOF方法,对三维两气泡在不同间距及偏移距离时的上升运动行为进行模拟,研究气泡间距及偏移距离对流场、速度场及气泡形态等的影响。结果表明:在两气泡运动至聚并为一个气泡前,两气泡两侧存在4个大小不一的旋涡,下气泡左侧旋涡影响范围较小;两气泡聚并为一个气泡后,该一个气泡两侧形成2个大旋涡并随着偏移距离增大,左侧旋涡影响的范围也越大。两气泡的间距及偏移距离影响着气泡上升及聚并过程中的气泡形态。气泡间距一定时,下方气泡偏移距离越大,两个气泡顶部速度增幅越小。     

高效螺旋气力清淤实验研究

为了进一步提高气力清淤的浓度和效率,提出一种新的轴向螺旋进气方式。以普通河砂模拟淤积固体,采用与工程实际相近的槽底供砂方式,在运动中抽砂,研究螺旋进气对气力清淤性能的影响。结果表明：水平清淤,气力清淤性能随进气螺旋角的增加而增加,性能曲线呈驼峰式发展。当螺旋角为10°时系统获得最佳性能,此时系统排砂量和提升效率较常规气力清淤分别提高28%和11.8%。垂直清淤,气力泵吸口埋入砂层,系统排砂量和排砂浓度得到进一步提高,且二者随气力泵埋入深度的增加而增加,砂层出现明显坍塌和流动,呈以气力泵为中心的倒圆锥砂坑,且砂坑体积与泵的埋入深度成正比增长。     

静水中气泡上升规律的研究和实验

研究了温度对不同直径的气泡在水中运动的影响,计算了不同流态、不同形状的气泡在不同温度中上升的最终速度,并进行了气泡上升速度对温度的敏感性分析。结合实验,理论值与实验值相对比,验证了气泡在静水中运动规律。介绍了测量流速的气泡发生器装置以及气泡发生器产生的适宜的气流和合适的针头。     

气泡浮子法测量流速的研究

文章研究了温度对不同直径的气泡在水中运动的影响,计算了不同流态、不同形状的气泡在不同温度中上升的最终速度,并进行了气泡上升速度对温度的敏感性分析。通过实验验证了气泡在静水中运动规律,给出了测量流速的气泡发生器装置图以及气泡发生器产生的适宜的气流和出气针头。测定了不同直径下气泡上升的最终速度并与理论值进行了比较,结果表明：在4mm以下和理论分析结果比较吻合,建议实际测量时气泡直径最好控制在4mm以下。     

波浪场中气泡运动的影响要素研究

该文为准确描述波浪中大气泡的运动规律,分别建立气泡传热传质、速度和半径的微分方程,并结合二维深水波模型,进而构建波浪场中高温气泡上浮运动的耦合模型。采用变步长龙格库塔法进行数值求解,模拟得出气泡在不同影响要素下的三个运动规律:一是气泡在波浪中受牵引作用,上浮轨迹呈螺旋状,且随气泡半径减小,螺旋交叠密集,上升速度减缓,跟随波浪能力增强;二是初温越高的气泡与半径越小的气泡所表现的运动规律大致相同;三是波浪的波长越长,波高越高,气泡在波浪传播方向的位移越大,对气泡的携带能力越强。该模型及结论考虑了真实海况中波浪对气泡运动的影响,可作为研究舰船主机尾气消尾流技术中大气泡运动特性及演化规律的理论基础。     

进气方式增强气力提升作用的研究

气力提升装置由于具有结构简单、安全可靠、成本低、不受水深限制及易于控制和操作等特点,因而在钻孔水力开采(BHM)、河道清淤和大洋采矿等应用方面具有独特的优势。为揭示该技术中进气方式对气力提升特性的作用机理及过程,增强其提升效果,以河沙为测试颗粒,系统研究气孔数量对排液量、排沙量以及提升效率的影响规律。结果表明,除在气孔数量分别为1,2和3时其提升效果会出现显著差异外,在其余进气方式中该差异并不明显。基于伯努利方程还建立了管内无量纲特征方程,并与实测结果比较。结果说明任一进气方式下其无量纲实验散点大致落在同一分布函数上,并与理论模型吻合较好。研究对深入认识气力提升机理和丰富多相流动力学理论有重要意义。     

引气剂对水工混凝土性能影响的试验研究

测试了3种引气剂硬化混凝土的含气量、气泡平均半径、气泡间隔系数,探讨了气泡参数对掺引气剂水工混凝土抗压强度、抗冻性能的影响。试验结果表明:气泡平均半径对引气混凝土抗压强度的影响较大,混凝土抗压强度随气泡平均半径的增大而降低;气泡间距系数、气泡平均直径对引气混凝土抗冻性的影响更为显著。     

曝气池中气液两相流速度场分布的实验研究与数值模拟

气液两相流广泛存在于水利工程、废水处理等领域,其在气液装置中的流型流态及速度场分布可直接影响装置运行效能。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对圆柱形气液装置进行PIV实验,获得了准确的气液两相流气相速度场分布;在充分考虑湍流、曳力、升力、湍流分散力等作用下,采用欧拉-欧拉双流体模型和气泡群平衡模型对气液两相流流场进行了数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行验证,所得结果误差控制在10%左右。结果表明,本文提出的模拟方法在气液两相流模拟中能够得到较准确的两相流动规律和速度场分布情况。     

NUMERICAL SIMULATION OF BUBBLE FLOW INTERACTIONS

Bubble flow interaction can be important in many practical engineering applications. For instance, cavitation is a problem of interaction between nuclei and local pressure field variations including turbulent oscillations and large scale pressure variations. Various types of behaviours fundamentally depend on the relative sizes of the nuclei and the length scales of the pressure variations as well as the relative importance of bubble natural periods of oscillation and the characteristic time of the field pressure variations. Similarly, bubbles can significantly affect the performance of lifting devices or propulsors. We present here some fundamental numerical studies of bubble dynamics and deformation, then a practical method using a multi-bubble Surface Averaged Pressure (DF-Multi-SAP©) to simulate cavitation inception and scaling, and connect this with more precise 3-D simulations. This same method is then extended to the study of two-way coupling between a viscous compressible flow and a bubble population in the flow field.     

高速掺气水流的气泡级配

用针式掺气流速仪观测高速掺气水流中气泡的数量和直径。将小浪底工程泄洪洞中闸室原型与模型中相应测点的气泡资料对比后表明，原型中d＞2mm的气泡基本符合重力相似准则，可以在模型中模拟。     

运行参数对自激脉冲射流装置性能影响的试验研究

运用自行研制的自激脉冲射流装置就其运行参数对装置性能的影响进行了试验研究。在自激脉冲射流装置结构参数一定的情况下,分析了工作压力、工作流速、靶距等运行参数与脉冲射流装置性能之间的关系,初步得出自激脉冲射流装置的最佳运行参数范围,为工程应用提供了依据。     

虹吸管气液两相流压降特性试验

通过系列试验量测了不同安装高度、不同水位差时虹吸管水平管段的压降、含气率及过流量,探讨和分析了虹吸管气液两相流压降的变化规律及气液两相流流型不同时影响管道压降的因素。结果表明,气液两相流管道压降与液相满流时压降规律相同,即压降值随管道水头的增大而增大;但是,与液相有压管流不同,水位差一定时压降值随安装高度的增大而减小。当虹吸管内为气泡流时,气泡存在对沿程阻力系数λ影响很小,可忽略不计。管道实测压降小于计算值的原因是气液两相压降减小率等于流速减小率。当虹吸管内为过渡流和气团流时,气液两相压降减小率与流速减小率相差较大,实测压降的减小不仅与流速减小有关,含气率的大小对气液两相压降的影响也不可忽略,含气率的增大使气液两相流动阻力增大,即压降增大。     

INFLUENCING PARAMETERS OF FLOW-INDUCED STRUCTURAL DEFORMATION FOR A CIRCULAR TUBE

Numerical simulations were carried out to study the effects of flow and structural parameters on structural deformation. The curves were obtained to show the structural stress and deformation varying with the flow and structural parameters. Meanwhile, the influence degree of these parameters was investigated by range analysis, and a fitting formula of the parameters and the maximum structural deformation in this model was obtained and thus the most influential parameter on structure safety was found. Results show that there is a great difference in their effect on the structural deformation for these flow and structural parameters. The influence degree of parameters is in a decreasing order for the pipe length, fluid velocity, pipe thickness, fluid density, pipe diameter, elastic modulus, Poisson ratio and fluid viscosity, among which the first four parameters play the major role. Besides, a proper parameter selection based on the influence degree shown in the fitting formula can provide an effective control of the structural deformation.     

VIBRATION OF A SINGLE PROTEIN BUBBLE IN BINGHAM LIQUID

The vibration of a single protein bubble may take place under the action of high pressure difference. In this process, the bubble wall may experience a finite deformation. The equation describing the dynamics of the protein bubble with viscoelastic film in Bingham liquid is derived. A numerical solution to this equation is carried out to study the effect of liquid pressure, the characteristic parameters of Bingham liquid and the viscosity of the protein film on the finite deformation of the bubble. The results show that the vibration of the protein bubble wall is caused by the action of pressure difference, the elastic stress in finite deformation and the dissipation of viscosity of the protein film and Bingham liquid. The vibration is nonlinear. Decreasing the pressure difference between gas and Bingham liquid on both sides of the protein bubble will lead to a change of vibration performance. The frequency and amplitude are reduced, tegether with the speed of vibration damping. In addition, the deformation rate of the bubble is smaller when the amplitude of vibration is reduced, which means shorter time to reach a balance state. On the other side, the increase of the magnitude of viscosity of the protein film or the plastic viscosity of Bingham liquid can restrain the vibration of the protein bubble wall in the course of finite deformation, as a result, the load bearing capacity of bubble is enhanced.