环状出口气泡雾化喷嘴液膜破碎过程与喷雾特性

主要研究了环状出口气泡雾化喷嘴出口下游液膜破碎过程与喷雾特性．当气液质量流量比为零时，出口下游形成空心封闭膜壳，表面波明显存在于液膜表面．随着气液质量流量比的增加，膜壳逐渐膨胀并在最薄弱部位被撕裂．利用DualPDA测量得到液雾颗粒的速度分布、直径分布与流通量分布特性；在主流区域存在负向运动的粒子同时颗粒平均速度明显降低．出口下游的速度分布曲线呈现双峰趋势，实验数据显示中心回流区域结束于距离出口30mm左右．索特平均直径的有关数据显示气泡的“爆炸”发生于出口下游5～15mm区域．流通量分布曲线也是双峰的，径向逐渐扩张，轴向逐渐降低，并且液雾主流区域流通量明显高于边缘区域的流通量．     

水平管外降膜厚度分布规律的数值模拟研究

液膜厚度分布规律对水平管降膜蒸发过程有重要的影响。本研究建立了水平管外降膜流动的CFD模型,通过模拟不同入口流速、管径大小的液膜厚度来研究冷态情况下管外液膜厚度的影响因素及其沿环向角的分布规律。模拟结果表明:对于固定管径,液膜厚度随着入口速度的增大而增大;在入口速度一定时,管外液膜厚度在管顶区域较大,在周向105°附近达到最小值;且液膜厚度随着管径的增大而缓慢减小,当入口速度减小到一定程度时,管壁会出现"干涸"现象。     

外波纹管管外降膜流动过程液膜厚度及速度分布特性

针对外波纹管管外降膜流动过程,采用实验结合数值模拟的方法,考察了液体喷淋密度、管间距和管径变化对液膜厚度周向分布的影响,并与光滑管进行了比较,同时分析了外波纹管管外液膜速度分布特性。结果表明:光滑管外液膜厚度由上至下沿周向呈先减小、后增加的趋势,在90°～120°之间液膜最薄;外波纹管去除波纹间凹槽内的液体后,波纹外的液膜厚度数值及其周向分布规律与相同直径的光滑管相似,周向平均液膜厚度随着液体喷淋密度的增加、管间距及管径的减小而增大;液膜沿周向分布的均匀程度及流动速度大小均与液膜厚度有关,波纹外液膜沿周向分布的不均匀性随着液膜厚度的增加而增加,气液界面处的液体速度沿周向分布规律与液膜厚度分布规律相反;相邻两波峰间凹槽内的液体存在局部循环流动。     

水平管外降膜蒸发微观传热特性

为了深入探究水平管降膜蒸发的微观传热特性,采用基于VOF法的计算流体模型对水平管外降膜蒸发进行数值模拟,通过求解控制方程得到液膜内的温度场和速度场。分析了不同入口边界温度和Re数下管外薄液膜内热边界层、无量纲温度和局部传热系数的微观传热特性变化规律,定量给出了热发展区与充分热发展区的边界位置。模拟结果表明:液膜入口温度越高,液膜热发展区覆盖的圆周角度越小;液膜内的热发展区覆盖的角度随Re数的增大而增加是平均传热系数随Re数增大的原因;管外圆周方向无量纲温度分布证明了液膜中的传热包含导热和对流传热;管外液膜内纯导热系数与局部传热系数的差值随倾斜角的增加而减少是由于对流效应沿管圆周方向减弱引起的。     

三角形壁面液膜孤立波特性的实验研究

液膜的孤立波特性是影响液膜表面形态的重要因素,也是影响液膜换热特性的主要原因之一。通过搭建降液膜流动实验台,对倾斜三角形壁面上液膜流动进行实验测量,分析不同倾斜角度、雷诺数和沿程距离下孤立波波速和频率的变化规律。结果表明:孤立波波速与雷诺数呈正相关;三角形壁面上的孤立波波速高于平板壁面上;孤立波波速随着沿程距离的增加而逐渐增大;孤立波频率与雷诺数、倾斜角度和沿程距离均无明显相关性,而与其自身的产生过程密切相关。     

锥形分布器下竖直圆管降膜的数值模拟

通过建立竖直圆管内降膜蒸发的物理模型,对锥形分布器管内的气液两相逆流的换热特性进行二维CFD数值模拟,采用VOF方法捕捉两相流的流动界面,分析了管壁上液膜的膜态、膜厚、速度和温度分布。结果表明:液膜的膜态和温度分布与喷淋量紧密相关,随着喷淋量的增大液膜的稳定性逐渐增加,在喷淋量为1.48 kg/(m·s)时液膜的稳定性最好,液膜表面温度逐渐降低;液膜的降膜膜态分布分为上端的稳定段和下端的震荡段;2 000Re10 000时,管壁的平均传热系数呈现逐渐增大的趋势;膜厚的模拟值与Nussult和Brauer的理论计算值吻合较好。     

火焰筒内环向多孔径向射流的流场研究

环向径向射流对燃烧室火焰筒内的流场有着重要的影响。本文采用三雏标准k-￡湍流模型详细模拟了燃烧室火焰筒内外的等温流场，给出了火焰筒不同截面位置的轴向速度和径向速度分布。并对数值模拟结果与实验数据进行了比较，结果符合较好，同时还分析了数值模拟结果与实验数据的差异。研究了火焰筒内多孔径向射流的流场特性，并比较了不同环向径向射流流量对火焰筒内流场的影响。研究结果表明：在射流孔附近，火焰筒内轴向速度和径向速度沿径向的梯度增大；而在火焰筒外，轴向速度沿径向的梯度变化不大，径向速度变化较大，但随着流体的流动，火焰筒外径向速度很快趋于均匀。当射流流量增加时，火焰筒内射流孔中心截面的两对称旋涡逐渐增大。     

W火焰锅炉冷态速度场分布研究

为了研究W火焰锅炉内空气动力场特性,通过调整三次风的不同分配比例(三次风量占总二次风量的比例),利用冷态试验模拟试验与数值模拟来对比分析其流动规律。分析得出前后墙气流下冲强度存在偏差,始终呈现前强后弱的趋势,并且偏差随着三次风分配比例的增大逐渐减小。沿炉膛高度方向随三次风分配比例的增大,下行风的强度逐渐降低,冷灰斗上回流区域逐渐增大且向上流速逐渐增大。沿炉膛深度方向,下行气流折算速度在前后墙附近呈现先增加后减小的变化趋势,在炉膛中部速度基本保持不变。     

降膜流动及膜破裂特性的三维数值模拟

对平板降膜流动进行三维数值模拟,采用VOF模型追踪气液两相界面的变化,揭示了降膜流动的三维特性,小流量下液膜比较平滑,靠近边壁处厚度和速度达到极小值,液膜最易破裂;流量增大,液膜波动幅度变大,三维特性增强。考虑气液之间的相互作用,加入气液剪切力源项,气液同向时,液膜的厚度变薄,流速变大;逆向气流作用时,液膜受到气流拉扯,表面流速减小。通过大量数值实验拟合出液膜厚度的关联式并与众多学者的结果做了比较,验证了数值模拟的可行性。     

非能动安全壳竖直平板降膜流动特性数值模拟

核电安全日益受到关注,非能动系统作为第三代核电系统具有很高的安全性。采用FLUENT流体体积分数(volume of fraction,VOF)模型和k-ε湍流模型对非能动安全壳冷却系统(passive containment cooling system,PCCS)三维平板降膜流动进行数值模拟。结果表明:1)在降膜过程中有波动现象,最终波动趋于平缓;2)水与空气逆流流动过程中发生轻微的液滴夹带;3)降膜流动受重力、表面张力与壁面黏滞力共同作用,液膜厚度沿横向分布均匀,沿高度方向平均液膜厚度越来越小,并且受进口水流速度与入口宽度影响,水流量一定时增加进口水流速度与入口宽度,平均液膜厚度增大,空气入口流速对水膜厚度影响相对较小。     

管道中旋流喷嘴雾化流场的速度分布特性

离心式旋流雾化喷嘴内流场的速度分布决定了喷嘴的雾化性能。利用VOF两相流模型和RNG k-ε湍流模型对管道中减温水通过旋流喷嘴雾化并与过热蒸汽混合的整个流动过程进行了三维数值模拟,获得了喷嘴雾化场的流动过程,着重分析了内外流场的速度分布特性。研究表明:流体通过离心式旋流喷嘴的切向孔后变成旋转流体,从喷嘴出口螺旋喷出后,迅速由液柱变为沿一定的锥角扩散的液膜,液膜逐渐雾化为液滴;在喷嘴内部的旋转流体,其合速度与切向速度沿径向,都是先增加后减小;随着流通截面发生改变,其速度的变化主要发生在轴向分量上,切向速度的变化比较小;流体从旋流喷嘴喷出雾化,会在喷嘴出口中心轴线附近形成回流区;当管道中的流体具有一定的流速时,还会在喷嘴前壁边缘附近形成回流区。     

环形布膜器垂直管内R113降膜蒸发换热特性数值研究

通过建立垂直管内降膜蒸发物理数学模型,对环形插头型布膜器管内R113的气液两相逆流降膜蒸发换热特性进行二维非稳态数值研究,分析了管内液膜流动分布以及壁面温度和液膜表面温度分布,对比了加热前后液膜厚度的变化.结果表明:随着降膜蒸发过程的进行,液膜下端开始出现液滴飞溅,且不断向上端发展;R113在管内降膜蒸发过程中壁面温度和液膜表面温度沿流动方向逐渐升高,气相温度变化趋势则相反;从壁面到管中心,温度沿径向逐步降低,在近壁面1mm前后其分布趋势相反;加热后液膜厚度明显减小,且下游液膜厚度变得相对均匀.     

喷雾冷却在单相区中换热特性的数值模拟研究

喷雾冷却是一种高热流密度的冷却方式,按传热机理的不同可以分为单相区和两相区。针对单相区,建立三维传热模型,利用CFD仿真技术对喷雾冷却过程进行数值模拟,并研究了喷雾的高度、流量密度等参数对喷雾冷却传热性能的影响规律。结果显示:当传热稳定时,传热面温度由圆心沿径向逐渐增高,并且随喷雾流量密度的增大,温度分布的均匀性变差;保持喷雾作用面积不变,增大喷雾流量或减小喷雾高度,喷雾的传热能力显著增强;数值模拟结果与实验数据吻合,验证了该模型的可靠性,可为喷雾冷却系统的设计、优化提供依据。     

基于VOF-DPM模型的离心喷嘴中的燃油流动及雾化特征研究

针对燃油在离心喷嘴中的内部流动及其外部雾化过程,采用VOF-DPM模型对其进行了数值模拟研究。分析了压力对喷嘴出口处空气芯大小和液膜厚度的影响,得到了液膜破碎长度和雾化锥角等雾化特性,应用实验测试结果对数值模拟进行了验证,并与流体体积函数法(VOF)和离散相追踪法(DPM)进行了对比。结果表明：VOF-DPM模型可以真实反映离心喷嘴的内部流动和外部雾化特性,研究发现了与实际雾化过程符合的液膜破碎存在孔洞破碎和边缘破碎两种形式;捕捉到了在液膜表面的波动及气动力共同作用下液膜失稳破碎形成液滴的过程;燃油流动及雾化特性随着压力增加发生变化,喷嘴内空气芯直径增大,出口处液膜厚度减小,液膜的破碎长度下降。     

单液滴撞击球面液膜水花形成特征分析

应用VOF(volume of fluid)方法对液滴撞击球面液膜的飞溅过程进行数值模拟,由计算结果分析了不同液滴撞击速度和液膜厚度对撞击产生的水花形态、高度和直径的影响。结果表明:随着液滴撞击速度和液膜厚度的增加,水花高度增大;随着液滴撞击速度增加,水花直径增大,但当液膜厚度增加时,水花直径减小。     

水平管外降膜蒸发传热特性的数值模拟

为深入研究液膜内的微观传热机理,对水平管外降膜蒸发的传热特性进行了数值模拟,获得了液膜厚度、液膜流动速度和传热系数等热力参数在液膜内的分布特性。通过与实验数据的对比验证了数学模型的准确性。研究结果表明:在饱和蒸发温度62℃、传热温差2.8℃、管外径25.4mm和液膜入口速度0.071~0.15 m/s条件下,沿圆周方向,液膜厚度减小,传热系数增加,直至达到液膜热力发展区,膜厚和传热系数趋于稳定;受液膜内温度变化的影响,液膜内的粘度、表面张力和导热系数的变化对液膜传热特性产生显著影响。     

往返式冷凝器中流场数值模拟的研究

倾斜往返式冷凝器采用冷凝回流的方式来完成蒸汽的冷凝过程 ,本文在试验的基础上 ,采用两流体分析模型 ,建立了往返式冷凝器内蒸汽冷凝回流的流动分析模型 ,编制开发了相应的Matlab计算程序 ,并根据试验测得的初值条件 ,对其流场进行了数值模拟 ,并对计算结果进行了分析。结果表明 ,截面汽相所占有的份额沿管长方向逐渐增大 ;汽液两相流速沿管长方向逐渐减小 ;在相同压力下 ,当倾角 β =90°时 ,液膜最薄 ,两相流速沿管长的变化最为显著 ;当倾角一定时 ,随着压力减小 ,液膜厚度也逐渐减小     

自由表面摩擦和蒸发对过冷下降液膜传热的影响

从理论上对下降液膜在自由表面上存在反向剪切力和蒸发散热情况下的换热特性进行了分析,得到了膜厚、换热系数的无量纲关系式,讨论了剪切力、液膜雷诺数、壁面热流、蒸发率对流动和传热的影响。     

环境压力对超临界流体喷雾特性影响的数值分析

基于大涡模拟方法对超临界喷射进行数值分析,使用真实气体状态方程SRK计算流体的热物性和输运特性.研究对象是定容弹内低温液氮超临界喷射,假定初始入口条件不变,重点考察了不同环境压力对超临界喷雾特性的影响.结果表明:由于射流流体与周围流体之间存在较大密度比,射流表面形成显著的密度分层,并起到限制射流流体向径向扩展的作用.随着环境压力的提高,由于射流和周围环境的密度比降低,射流表面不稳定增加,比较容易形成不稳定涡,从而更有利于射流与周围气体的混合,因而液核长度也比较短,表明随着压力的增大,射流与周围气体的混合效果更好.进一步分析发现,环境压力对热物性和输运特性的影响较大,而对湍动能和速度场的影响不大.     

圆形截面离心压缩机蜗壳内部三维流动的测量与分析

利用五孔探针对大尺度低速离心压缩机的圆形截面蜗壳内部三维流动进行了详细的测量,给出了蜗壳螺旋通道部分径向测量截面的通流速度分布以及通流速度、总压、静压沿径向与圆周方向的分布图,并与一维计算的流量进行了比较.结果表明,各截面测量得到的流量与一维计算的趋势相同,且随着角度的增大,计算与实验之间的差别逐渐减小;另外,本试验蜗壳内的流动是复杂的三维流动,蜗壳各径向截面的通流速度沿径向的分布与动量矩守恒规律有比较明显的差别,总压沿圆周方向变化不明显.