气液螺旋环状流压降特性研究

考虑旋流衰减的影响,对气液螺旋环状流的压降特性进行研究并推导出了螺旋环状流压降预测模型。定义压降旋-直比系数为气液两相螺旋环状流和气液两相直流的压降之比,以此来表征旋流衰减对压降的影响。基于量纲分析的方法对压降旋-直比系数进行分析,推导出其表达式,压降旋-直比系数依赖于Lockhart-Martinelli 参数和气相Froude数变化。最终,得出了气液两相螺旋环状流的压降预测模型。在50 mm内径的水平管内对螺旋环状流的压降特性进行了实验研究,其中气相表观流速变化范围为10~16 m/s,体积含液率（LVF）变化范围为0.6%~4.8%。通过与实验数据进行对比,压降预测模型的相对误差在±15%以内,为工程应用提供了参考。     

上升管内环状流含液体积分数与压降预测模型

对垂直上升管中气液二相环状流的含液体积分数及压降预测进行了研究,在充分考虑了环状流的流型特征以及合理假设的前提下,以二相流动力学理论和Wallis有关经验式为基础,推导出了环状流的数学模型。通过求解力学方程,获得了含液体积分数及压降预测的新模型,将新模型及已有模型与实验数据进行对比,结果表明,新模型不仅与实验结果符合良好,还具有计算速度快的特点,从而为垂直上升管内气液二相环状流含液体积分数与压降的预测提供了一种新的有效方法。     

螺旋肋片形成非衰减性旋流的强化传热性能

对于螺旋肋片形成非衰减性旋流的传热和阻力特性进行了实验研究,并比较分析了非衰减性旋流与多翅管和衰减性旋流在传热和阻力特性方面的差异.研究结果表明,在传热系数上非衰减性旋流比多翅管和衰减性旋流分别提高60%～85%和49%,但非衰减性旋流的阻力损失也明显高于多翅管和衰减性旋流.综合热力性能的分析结果表明,在较低Reynolds数下非衰减性旋流的综合热力性能较好,当Reynolds数大于某一临界值 (本实验为18000)后衰减性旋流的综合热力性能较好.     

水平管稠油掺气减阻模拟实验

依托流体可视化环道装置,设计并加工稠油掺气减阻模拟装置,实验研究水平管内两种稠油模拟油掺气流动阻力特性,拍摄不同气液流量比下的管流流型,分析不同实验条件下气相对稠油的减阻效果并建立相应的压降预测模型。结果表明：在气液比0~15范围内,共观察到六种流型,分别是泡状流、弹状流、分层流、段塞流、环状流、雾状流。220^#与440^#模拟油所对应的管路减阻率分别在气液比1.17和0.96时达到最大值48.19%和33.76%,当掺气比为0.9~1.2时,减阻率均可维持在20%以上。其机理可归结为空气使油-油接触转变为油-气-油接触,降低了混合相的层间剪切应力。Dukler法不适用于高黏气液两相流,所建立的稠油-气两相压降模型预测值与实测值吻合良好,平均相对误差在20%以内。     

环形狭缝通道内气液两相环状流流动特性

建立了环形狭缝通道内气液两相环状流的理论模型 ,该模型计及环状流气芯流动的可压缩性、气液两相间的相滑移、气相对液滴的夹带作用等因素 .考察了两相流质量流量和干度对压降、液滴速度相对变化和狭缝喉部气芯通流面积的影响 .用建立的理论模型对空气 -水两相环状流通过环形狭缝的两相压降进行预测 ,预测值和试验值吻合良好     

用于细颗粒分离的水力旋流器的压力特性研究

对用于细颗粒分离的水力旋流器的压力特性 (压力降及压降比 )与流量、分流比、旋数、溢流口和底流口直径及气液比等主要参数之间的关系进行了深入的研究与分析。研究发现 ,水力旋流器内部压力降分别随流量、分流比、旋数及气液比的提高而加大 ,压降比则分别随流量、分流比、旋数的提高而降低。随着溢流口直径的加大 ,水力旋流器的溢流压力降减小 ,而压降比也随之降低 ;随着底流口直径的加大 ,底流压力降减小 ,压降比随之升高。分析可知 ,减少旋流器能耗的有效方法是降低旋数 ,或者减少混合介质中的气液比     

垂直同心环形管内上升气液两相环状流含气率与压降预测

对垂直同心环形管内上升气液环状流的截面含气率及压降预测进行了研究.根据Kelessidis有关团状流向环状流转换的思路以及Wallis有关圆管内环状流积分分析的方法,考虑环形管的结构特征及环状流的流型特征,通过两相动力学理论建立了新的预测截面含气率及总压降的模型.将新模型及现有模型与实验数据的分析比较表明新模型对于总压降的预测效果较好.     

气液两相并流向下通过筛板孔口单元的压降特性

针对堆叠筛板填料的基本单元,采用12种不同规格的孔板,研究了气液两相并流向下通过孔口的压降特性,阐明了气液流量、孔板结构对压降的影响规律。结果表明：压降随气液流量的增加而增大;随孔径的增大而减小;在筛板常用厚度范围内,孔口锐缘效应使得压降随板厚减小而增大。根据孔口压降行为不同,以气相雷诺数Re_G=5000分界,建立了单一气相向下通过孔口的压降预测关联式;然后利用气相折算因子对关联式进行修正,得到了Re_G>5000时气液并流向下通过孔口的压降预测关联式;当Re_G<5000时,通过直接对单一气相阻力系数进行修正,得到了相应气相雷诺数范围内的气液两相压降预测关联式。     

旋流板式气液分离器的放大规律

对旋流板式气液分离器在3种规模、18种旋流板结构下进行了模型实验研究，考察了旋流板结构参数(径向角、仰角和叶片数量)对分离效率和压降的影响，并建立了预测分离器压降的关联式，为旋流板结构参数的确定提供了依据. 工业应用的标定结果表明分离器压降预测式是准确的，它可用于工业气液分离器的放大设计.     

大流量下倾斜管气液两相流实验研究

在较高的气液范围内,以水和空气为实验介质,在多相流实验平台上进行了倾斜向上的高产量气液两相流模拟实验研究。实验采用内径为40 mm、长8 m的透明有机玻璃管,并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。对实验流型进行分析,发现了倾斜管中低气流速下的一种新的流型-振荡冲击流,并研究了表观气、液流速和倾斜角对气液两相流动中压降的影响,建立气/液膜流动模型来分析表观气、液流速对压降梯度的影响作用,实验研究结果表明:在高气液量范围内,倾斜管中观察到的气液两相流型主要为振荡冲击流、过渡流和环状流,并且倾角对流型转变边界的影响不显著;振荡冲击流压降随气流速的增加而降低,环状流压降随气流速的增加而增加,过渡流压降梯度最小;倾斜管压降梯度随着倾斜角度的增加而增大。     

大型塔进料分布器二相流场数值分析

以大型塔器常用的双切向环流进料分布器为例,通过数值分析研究了气液二相流体在分布器中的分布规律。选用k-ε湍流模型和Lagrange二相流模型,模拟计算气液二相混合进料时,通过改变液气质量流量比,研究气液二相流动规律、分布器的压降及雾沫夹带,同时与只模拟气相流场的结果进行比较。结果显示,气液混合进料比气相进料时的气体分布不均匀度小,压降和平均湍动能则偏大,气液二相流场的计算更接近实际工况,这为大型塔分布器的设计及确定适宜操作条件提供了理论指导。     

多旋臂气液旋流分离器内气相流动特性分析

为考察费托合成过程中用于油气分离的新型多旋臂气液旋流分离器内气相流场分布特性,明晰离心分离效果,采用RSM湍流模型对分离器气相流场进行模拟研究,所得压降与实验数据吻合较好,表明该模型适用于模拟该分离器。根据结构特点和压力分布特性,将分离器划分为四个区：进料管区、旋臂区、环隙区和分离区。结果表明,气体流经旋臂时运动方向改变产生的阻力损失占总阻力损失的60%以上;经旋臂排出后气体分为三股,即沿封闭罩逆时针上行流和下行流,以及沿旋臂与进料管之间区域顺时针上行流;环隙区轴向高度1.472 m,周向位置45°, 135°, 225°, 315°附近形成轴向速度为零的横向旋涡,同时气体在环隙区内径向位置|r/R|=0.972处出现切、轴向速度的最大值,且运动角度均稳定维持在37.43°附近;分离区内上下行流界限清晰(位于|r/R|=0.854)且切向速度符合Rankine涡结构,拟合得到平均准自由涡旋涡指数n=0.697;旋臂附近区靠近外侧壁面处(|r/R|=0.893)和环隙区内|r/R|=0.972处的切向速度均对入口气速的变化较敏感。     

摇摆对气液并流模式立体旋流筛板压降的影响研究

以空气-水为实验介质,在喷淋密度78～182 m³·(m²·h)^-1、气相动能因子1.19～2.77 m·s^-1·(kg·m^-3)^0.5、摇摆幅值Θ=5°～15°、周期T=8～20 s的条件下,测定了气液并流模式下立体旋流筛板(TRST)的压降,考察了气液通量、塔板数量、位置和方式对压降的影响,并与直立和倾斜工况对比。结果表明：增加倾斜及摇摆角度干板压降略微下降;摇摆时的湿板压降介于直立和倾斜之间,受摇摆角度影响较大,基本不受周期影响;增大气量有利于抵抗倾斜及摇摆的影响,而增大液量会使倾斜及摇摆的影响作用加剧。整体上,塔板顺、逆向安装时的湿板压降分别在100 Pa和170 Pa以内,而逆向安装的变化率约为顺向的2倍,这是由于逆向安装下改变了气液流动方向,增大了能量损失。建立了气液并流摇摆工况下TRST的湿压降预测模型,相对误差在15%以内。     

槽式孔板的湿气分层流差压预测模型

槽式孔板是一种新型的气液两相流测量元件,与标准孔板相比,槽式孔板具有前后直管段要求低、差压信号平稳、上游液相无累积等优点。通过对槽式孔板的局部阻力进行分析,槽式孔板总压降主要由摩阻压降和加速压降两部分组成。基于气液两相流体流经槽式孔板的流动机理,利用动量守恒关系式和能量守恒关系式计算摩阻压降和加速压降,建立了槽式孔板的分层流差压预测模型。以空气/水为介质,进行了一系列实验,实验结果表明,孔径比为0.75、0.6、0.5的槽式孔板的平均相对误差分别为6.45%、11.06%、12.52%,为湿气计量算法的完善提供了参考。     

大输量多相混输管路气液两相流实验研究

为了研究大输量条件下多相混输管路的流动特性,以水和空气为实验介质,在长江大学多相流实验平台上进行了水平状态的高气液量两相流模拟实验研究。实验采用内径为60 mm、长9.4 m的透明有机玻璃管,并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。通过对实验流型进行整理,将水平管内的气液两相流流型划分为分层流、泡状流、段塞流和环状流,并与典型的Mandhane流型图进行对比分析。另外,对实验范围内的几种典型流型下的压降梯度变化规律进行了研究,泡状流区域压降梯度随气流速的增大而减小,段塞流区域压降梯度随气流速的增大而缓慢增大,环状流区域压降梯度随气流速的增加而继续增大。     

气液两相并流下行通过堆叠筛板填料的压降特性

堆叠筛板填料已在核电站放射性气体除气塔中得到成功应用。针对这一新型填料的应用设计,在较广泛的气液流量下,对气液并流下行通过不同规格堆叠筛板填料的阻力特性进行了系统的实验。实验填料共6种规格,孔径参数包括6、10和14 mm,不同孔径填料对应不同的孔间距、板间距,每种孔径填料具有正方形和正三角形两种筛孔分布方式。通过压降数据分析,研究了流动参数和几何参数（孔径、开孔率、布孔方式、板间距）对气液两相并流通过填料的流动行为及压降特性的影响;结合多孔板阻力系数经验公式提出了堆叠筛板填料干板阻力系数的计算模型,模型很好地反映了不同几何参数对干板阻力系数的影响,预测偏差在5%范围以内;基于均相流模型提出了堆叠筛板填料气液两相压降的预测模型,模型预测偏差在10%范围以内。研究工作对堆叠筛板填料塔的应用设计及进一步的传质动力学研究有一定参考价值。     

新型多旋臂气液分离器入口旋流头的预分离特性研究

新型多旋臂气液分离器可实现大直径分离器内的气液旋流高效分离,其入口旋流头结构是分离器的重要组件之一。通过大型冷模实验,对入口旋流头结构的液滴群粒径分布进行非引出式在线测量,从压降和分离效率角度考察了旋流头的预分离性能。结果表明,在入口直管段,初始液滴粒径会在高速气流的作用下迅速进行重新分布,粒径分布呈类正态分布,Sauter平均粒径（SMD）为16.8 μm。在16.95 m/s的气速下,液滴群在H/D=2.47~8.48长度内的入口直管段中运动状态稳定,粒径分布未发生明显变化。在高气速的操作条件下,剪切效应和边壁效应共同作用使SMD略有增大。液滴群在流经旋流臂后,粒径分布发生显著变化,出现“双峰”特征,旋流臂对液滴的聚集效果明显。通过粒径分布分析,预测了旋流臂末端的液滴特征。发现旋流头的预分离性能优越,在压降占比仅3.2%~8.4%的情况下,分离效率占比可高达42.8%~62.5%。入口旋流头结构不仅可以为混合相创造强旋流的初始分离环境,还能借助自身结构特点实现对混合相的惯性预分离。     

基于临界分流理论的气液两相流均匀分配器

提出了一种新型气液两相流分配器,主要由旋流叶片、整流器、分流喷嘴以及分配腔室组成。通过采用“流型调整”与“临界分流”控制相分离。为研究不同分流比下的分配特征,设计了2喷嘴和4喷嘴两种分配结构。建立了气液两相流数值模型,模拟了气液两相流在分配器内流动特性。在气液两相流实验环道上进行了测试,气相折算速度范围为5.0～25.0 m·s^-1,液相折算速度范围为0.012～0.14 m·s^-1,实验中出现的流型包括波浪流、段塞流以及环状流。结果表明,在临界分流条件下,气液相分流系数主要取决于与侧支管相连通的分流喷嘴数目与总喷嘴数目的比值,不受流型、气液流速等参数波动的影响。对于2喷嘴分配器分流系数接近理论值0.5,对于4喷嘴气液分流系数约为0.25。     

A new liquefaction method for natural gas by utilizing cold energy and separating power of swirl nozzle

A swirl nozzle with a central body was newly designed to make full use of the cold energy and separating power, and the coupling of swirling flow and condensation was realized based on a condensation model, a droplet surface tension model and a Reynolds stress model turbulence model. The flow and condensation characteristics of methane gas under supersonic swirling flow conditions were studied. The results show that the flow and condensation parameter distribution in the swirl nozzle are similar under varying swirling intensities, but the swirling performance improves with the increase in swirling intensity, and a tangential velocity is beneficial before the gas enters the nozzle. As the inlet temperature decreases or the inlet pressure increases, the liquefaction efficiency increases, and the gas condensation process can be promoted. With the advancement of the initial nucleation position and the increase in the droplet radius, the separation efficiency of the swirl nozzle increases.     

环状流起始点初始携带份额的分析计算

目前大多数研究采用液膜干涸模型预测气液两相环状流的临界热通量,其中确定环状流起始点、起始点和平衡状态的携带份额、携带现象的发生条件、液滴沉积率以及携带率对模型的计算精度都起着决定性的作用。通过大量研究目前已经得到了适用于不同条件下的经验关联式来预测此模型中的大多数参数,然而环状流起始点的初始携带份额至今仍需通过假设来确定。本文对蒸气-水为工质,压力为0.18～0.27 MPa条件下得到的实验数据进行了分析,通过计算值与实验值的对比提出了初始携带份额的经验关联式。比较结果表明,计算值与实验值的偏差在20%以内。