表面活性剂对气液两相螺旋管流流动特性的影响

为了考察阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对气液两相螺旋管流流动特性的影响,该文用实验研究了不同浓度的SDS溶液体系气液两相螺旋管流的流型转变及压降规律。实验装置为由有机玻璃圆管制成的长2 m内径23 mm的实验段,以SDS水溶液和空气为实验介质,气液相折算流速均为0―2.5 m/s,SDS溶液质量浓度10―90 mg/kg,螺旋流由5种不同型号的金属螺旋叶轮诱导产生。利用直接观察和高速摄像相结合的方法观测流型的变化,并用液柱式压差计测量实验管段上下游间压差,实验在常温常压条件下进行。实验共得到螺旋线状流、螺旋波状分层流、螺旋轴状流、螺旋弥散流4种流型,与未添加表面活性剂体系相比较,并未得到螺旋泡状流和螺旋团状流这两种流型。同时,随着SDS溶液浓度的增大,气液两相螺旋流逐渐向螺旋弥散流流型转变,这是因为低浓度的SDS溶液随着其浓度的增大,气液界面张力逐渐减小,而气液掺混程度则会不断增大。此外,与未添加表面活性剂体系相比较,添加了SDS体系的气液两相螺旋管流压降梯度将会减小。最后,阐述了气液两相螺旋管流强化天然气水合物生成的研究及应用现状,并针对多相流研究现状,提出了气液两相流相间传热特性应成为今后研究热点等建议。     

以纽带起旋的气液螺旋流实验研究

鉴于气液两相螺旋流在实际中的重要作用,且目前国内外对其鲜有研究报道,该文以空气和水为实验介质,利用高速摄像机对以纽带为起旋装置下的水平管内气液两相螺旋流的流型进行了研究.实验研究发现,存在螺旋波状流、螺旋泡状流、螺旋轴状流和螺旋弥散流四种典型的流型,并着重讨论了纽带的扭率对流型转换边界和流动压降的影响.该实验研究为今后对气液两相螺旋流的研究奠定了基础.     

虹吸管道水气两相流动过流能力的试验分析

通过对虹吸式输水管道输水能力的试验研究,观测到不同安装高度下的气液两相流现象。量测了不同安装高度相应水位差下的流量的大小,并分析了流量变化规律。研究发现,随着安装高度的增大,虹吸管内气液两相流流型由气泡流转化为气团流。分析原因发现在安装高度h_s=2 m时,流量减小率与面积减小率相等,表明气液两相流时过流面积小于液相满流时过流面积是流量的减小的主要原因;当安装高度h_s2 m时,流量减小率与面积减小率相差较大,表明流量的减小不仅与面积变化有关,还应与沿程阻力系数有关。掺气浓度的增大使管内压降增大,压降的增大导致了管内阻力增大,从而使沿程阻力系数增大,而导致流量减小。     

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。     

管径对垂直上升管内气液两相流流型的影响

以空气和水作为介质,在管径分别为20mm与8mm的垂直上升管内进行了常压下气液两相流流型的实验研究,得到了这两种管径下泡状流、弹状流、乳状流和环状流等流型,得到的绝大部分实验点与Hewitt和Roberts流型图相符合,并根据实验结果修正了流型图的转化边界.对于气液两相流垂直上升流动,环状流发生所需的气相折算速度几乎不随液相折算速度的变化而变化.不同管径条件下,各种气液两相流流型发生的范围和转换趋势基本一致,乳状流向环状流的转换界限基本重叠,而泡状流与弹状流的界限变化大一些.由于弹状流的换热与泡状流的换热完全相同,因此泡状流与弹状流的界限误差对传热而言并不重要,可以忽略管径对Hewitt和Roberts流型图的影响.     

水平管道油-气-水三相段塞流动持液率模型研究

油-气-水三相段塞流型持液率预测往往先将油水两相看作混合均匀的单相，再利用气液两相方法进行计算。这种方法适用于油水混合均匀的段塞流型。但在低气液相流速下，油-气-水三相段塞流型中有时油水是分离的，此时如果使用上述方法，可能导致比较大的误差。研究建立了分离假塞流型（油基和水基）的平均持液率计算新模型。统计分析发现新建模型与实验数据吻合很好。在实验的基础上，将油-气-水三相段塞流型划分为油基／分离／段塞流、油基／分散／段塞流、水基份离／段塞流、水基份散／段塞流四种。研究四种流型表明，在其他条件不变的情况下，对于气液两相流动和分散／段塞流型，持液率随着液相折算速度或液相黏度的增加而增加，随着气相折算速度的增加而减少。但对油基／分离／段塞流和水基／分离／段塞流，持液率则随着气相折算速度的增加，先上升后下降。     

竖直较大管径内气液两相流截面含气率实验研究

截面含气率是气液两相流动过程中的关键参数之一.在大管径流道内的气液两相流,弹状流难以形成,与常规通道相比,其流型特征明显不同.适用于常规通道截面含气率的一般计算方法,对于大管径流道而言,其适用性也较差.本文通过研究较大直径圆管内的气液两相流动过程,寻找适合于过渡尺寸流道内两相流动截面含气率的计算方法,从而建立起完整的、针对各个尺度范围内截面含气率的计算方法.实验选圆管直径为50 mm,介于常规通道和大通道之间;以空气和水作为工质,气相、液相折算速度的范围分别为0.05-2.0 m/s及0.01-2.0 m/s.首先利用获得的截面含气率实验数据,对适用于常规通道和大通道的截面含气率计算模型进行了评价;然后通过分析几类漂移流模型计算方法的分布系数和漂移速度的变化规律,解释了Hibiki-Ishii、Kataoka-Ishii、Kawanishi等几个模型计算误差较大的原因.     

含不凝气体蒸汽的凝结换热数值模拟

该文通过Fluent软件进行数值模拟,研究了蒸汽流速、换热管管径和倾斜角度对含空气的水蒸汽管内凝结换热的影响。模拟结果表明:增大流速,减小管径,管内压降增大;在低流速下,管内压降随倾斜角度的增加而降低,降低幅度随流速的增加而减小,流速达到2 m/s后,压降先随倾斜角度的增大而变大,管长超过0.15 m后,随倾斜角度的增大而减小;在低流速下,管内蒸汽凝结换热系数随倾斜角度的增大略微增大;压降在小管径下随倾斜角度的增大而降低,在大管径下随倾斜角度的增大而增大,管径为0.016 m时,压降先随倾斜角度的增大而增大,在管长超过0.2 m后,随倾斜角度的增大而降低。     

90°弯管内气固两相流湍流变动实验研究

采用相位多普勒测速仪(PDA)对方形截面90°弯管内稀相气固两相流动进行了测量。颗粒相采用平均粒径为77μm的玻璃球,气相测量采用雾化水滴为示踪粒子。实验雷诺数Re=105(平均速度U0=10m/s)。文中对单相气体流动和气粒流中气相流动进行了分析。其中,两相流动中气相流动数据是在PDA激光散射信号后处理过程中根据颗粒尺寸进行大小颗粒(小颗粒代表气相,大颗粒代表颗粒相)分离得到的。结果发现,平均流速方面气粒流动中的气相速度较单相气体流动低,此现象产生的原因,主要是由于颗粒对连续气相介质的拖拽作用;对于湍流脉动,两相流中气相的湍流脉动比单相气体流动大,这主要是因为动能较大的颗粒相把动能传递给了气相,而这些颗粒的动能主要来源于壁面或颗粒间的碰撞。     

垂直管道内油-水两相环状流的流动特征

该文通过实验研究了垂直上升和垂直下降管道内油水两相混合液的流动特征。实验段管道的内径为25 mm,垂直段长度为1500 mm。为了得到油水两相环状流流型,分别在垂直管道的入口和出口处安装有收缩和扩张管道。实验中的油相为白油(97 mPa·s,860 kg/m3),水为普通生活用水(1 mPa·s,998 kg/m3),含油率范围为0–100%,混合速度为0.28 m/s–4.65 m/s。研究中,分别采用压力传感器、高速摄像机和快关阀对管道中两相流动的压降、流型和含油率等特征进行了测量和记录,并采用两流体理论模型对流动中的摩擦压降进行预测。研究结果显示:流动中形成的水包裹油的广义环状流型,可以很好的降低摩擦压降,并可以将摩擦压降分为壁面摩擦和界面摩擦两部分,采用两流体理论对压降梯度进行预测,误差小于20%;由于油水两相间的密度差和截面相分布特征,使两相之间存在速度滑移,可以看出垂直上升和下降管道内的油相的相速度值均高于水相,在含油率为60%–80%时其差值达到最大。     

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。     

CFD-PBM模型下微孔曝气器布置方式的优化研究

基于活性污泥微孔曝气池内氧气供需平衡理念,将曝气盘分三段按59%、31%、10%比例递减式布置,基于CFD-PBM气液两相流模型,考察了氧化沟内流速、气含率、气泡大小分布等流体力学行为。结果显示,PBM模型得到的曝气区气含率、气泡分布沿水流方向递减,减小了曝气设备能耗,优化了微曝氧化沟的供氧效率。在高度为4m的上部区域,曝气区末端的流速要小于0.12m/s,考虑到末端旋流作用及曝气器垂直流的影响,流速可以满足污泥不沉积。     

鼓泡塔内气液两相流动力特性数值模拟研究

利用CFD软件模拟的方法研究鼓泡塔内气液两相流动力特性,为鼓泡塔的设计提供依据。采用欧拉-欧拉双流体模型分别结合标准k-ε紊流模型和RNG k-ε紊流模型对鼓泡塔内气液两相流进行数值模拟,并使用Phase Coupled SIMPLE算法进行速度与压力耦合求解。比较鼓泡塔内轴截面(y=0)处不同高度液相速度和气相速度的变化情况,发现速度沿径向呈现出抛物线分布,沿水深方向越接近通气孔,速度越大,且气相速度整体大于液相速度。通过将z=0.28 m处的垂向液相速度与实验值比较,得出欧拉-欧拉双流体模型结合标准k-ε紊流模型模拟鼓泡塔气液两相流动力特性优于RNG k-ε模型,且发现上升力对模拟结果有显著的影响。     

入口含气率对深海多相混输泵性能影响研究

该文以标准状态下的水(连续相)和空气(离散相)作为流动介质,基于Eulerian-Eulerian非均相流模型,在不同进口含气率工况下对离心式深海多相混输泵内部流动特性进行数值模拟计算,研究离心式深海多相流混输泵的内部流动特性。通过获得叶轮和扩压器内部相态分布情况以及液相速度流线图,探索气液两相流在混输泵内部的流动规律。结果显示:气液两相工况下,混输泵从首级到末级的增压能力变化趋势相同,不同含气率下,末级混输泵的增压能力变化更大,含气率越高对增压能力影响越大;在低含气率下整个流道内的气相分布很均匀,气相更多聚集在叶片吸力面及出口边附近且有沿着叶片吸力面向叶轮出口运动的趋势,当进口含气率大于10%后,叶轮流道内叶片吸力面处出现较为明显的相态分离现象;不同含气率下叶轮和扩压器内压力脉动幅值变化趋势相似,幅值随着含气率的增加不断上升,通过实验结果验证了数值计算所采用的计算模型和方法是可靠的。     

水跃对水平管弹状流压力降的影响

本文对气、液两相分别应用一维形式的质量守恒方程和动量守恒方程。假设各流动物理量在水跃面上具有第一类间断点,推导出水平管弹状流中水跃压降的表达式。对以水和空气为流动介质,内径为２５．８ｍ,５１,２ｍｍ和３００ｍｍ的三种管道,在液相表观流速为１．１１ｍ／ｓ,气相表观流速为２￣１０ｍ／ｓ的范围内,计算出了水跃压降的大小随Ｌｏｃｋｈｒｔ－Ｍａｒｔｉｎｅｌｌｉ参数的变化关系,分析了水跃压降对水平管弹状流摩擦     

曝气池中气液两相流数值模拟

应用数值模拟的方法,对曝气池气液两相流运动规律进行了探讨。研究表明:当孔径相同,空气流量越大,紊动强度越大,气液混合越充分,曝气效果越好。对于相同的水深和相同的孔径,流量是影响气泡大小和速度的主要因素。当气体流量或速度增加时,气泡体积增大,气相速度也明显增大。     

含气率对气液两相流离心泵性能的影响

为了研究进口含气率对气液两相流离心泵外特性以及内部流场特性的影响,该文采用计算流体动力学分析方法对某一气液两相流离心泵进行三维数值模拟研究。结果表明:扬程随着进口含气率的增加而降低,特别地,当进口含气率由3%增加到5%时,泵的扬程相对于纯水设计工况降低了37%;气液两相流工况叶轮流道会出现气体聚集区域,随着进口含气率的增加气体聚集区域面积也会增大;气体主要聚集在叶轮流道的上盖板附近,且随着进口含气率的增加气体聚集区向叶轮出口扩散。通过该研究得到以下结论:进口含气率的增加会导致泵的扬程降低;进口含气率会影响叶轮内部气体分布规律,进而影响内部流场,导致泵的性能发生改变。     

叶片数对高比转速离心泵固液两相非定常流的影响

为了探索叶片数在固液两相流条件下对高比转速离心泵非定常特性的影响情况,利用ANSYS CFX软件,采用Mixture多相流模型,对4种不同叶片数离心泵的固液两相湍流进行了非定常数值模拟,分析了叶片数对固液两相流离心泵瞬时扬程、压力、压力脉动及径向力的影响。研究结果表明：① 随着叶片数量的增多,固液两相流离心泵的瞬时扬程增大,波动频率变快,蜗壳内及隔舌处的压力值越来越大,波动频率变快,脉动幅值反而越来越小,叶轮上的径向力会减小,隔舌处的径向力会增大;② 不同叶片数的固液两相流离心泵蜗壳内及隔舌处的压力脉动主频均出现在其叶频处;③ 叶片数为5时,是蜗壳的内压力值和压力脉动幅值增减速度快慢的分界点,也是叶轮上及隔舌处径向力大小增减速度快慢的分界点。     

气泡羽流空隙率的计算及其不稳定规律的研究

在气液两相流中,气相和液相各自有不同的流场,而液相的速度场取决于气泡的运动特性。空隙率是气液两相流中描述气泡分散相间相互作用的一个重要的参数,通过对气泡羽流的空隙率分布分析,可了解气泡羽流的运动机理与实验条件之间的关系。本文采用图像处理的方法测量在高密度气泡下的瞬时空隙率分布。对拍摄的图片进行预处理,得到其灰度图像和灰度值,建立其局部灰度值与投影空隙率间的相关关系,进一步计算出气泡羽流的不同位置处的空隙率值分布,在此基础上分析不同工况下空隙率值的分布情况及其对气泡羽流结构的影响。结果表明：该方法适合用于气液两相流空隙率的测量,在纵横比为1.0时,气泡羽流的结构受压强影响小,羽流结构稳定;纵横比为1.5和2.0时,随着压强的增大,羽流结构呈现不稳定。     

水平井筒变质量分散泡状流压降的理论与实验研究

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别，可以预知常规水平管流的压降计算方法对于井筒流动来说就需要进行修正或扩展。本文对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程，考虑管壁存在人流或出流对于分层流流型压降的影响，得到水平井筒气液两相变质量流动分散泡状流流型的压降计算方法。同时，设计并建立了水平井筒流体流动模拟实验装置，在轴向为气液两相流动的前提下分别进行了上管壁单孔眼注入和下管壁单孔眼注入的压降实验研究，获得了大量的实验数据。实验数据和理论计算结果吻合很好，这表明该计算方法具有实际应用价值。