垂直管气液两相环状流的界面扰动波速度

在气液两相环状流中,界面波是两相间质量、动量和能量转移的重要载体,对其特性参数（波速、波频和波幅）的研究具有重要意义。首先根据气液两相流界面波分类,对其特征进行了定性描述。针对现有的界面剪切力推导了界面扰动波速度预测模型,考虑了气核中夹带液滴引起的密度增量及气核与液膜表面相对速度的影响,得到了改进的垂直管环状流扰动波速预测模型。针对工业现场工况压力较高现状,设计了基于近红外吸收衰减技术和互相关原理的界面波波速测量传感器,在五种压力（0.2～0.9 MPa） 154个界面波波动速度条件下进行了实验。结果表明,改进后模型预测效果良好,相对误差在±10%左右,在不同系统压力条件下具有一定外推性。     

垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯夹带液滴,实现了对环状流局部液膜的非接触式检测。在此基础上对界面扰动波进行了频域分析,运用功率谱密度估计,对50 mm管径竖直上升管环状流界面扰动波波动频率进行了定量研究,得到0.1～0.8 MPa不同压强条件下,共70个流动条件的环状流界面扰动波频率值。利用实验结果对现有模型进行验证分析,在此基础上利用Strouhal数描述液相流动条件的影响,利用Froude数描述气相流动条件的影响,建立了预测环状流界面扰动波波动频率的St-Fr模型,经实验数据验证预测的平均绝对误差（MAE）为11.42%。     

垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯夹带液滴,实现了对环状流局部液膜的非接触式检测。在此基础上对界面扰动波进行了频域分析,运用功率谱密度估计,对50 mm管径竖直上升管环状流界面扰动波波动频率进行了定量研究,得到0.1~0.8 MPa不同压强条件下,共70个流动条件的环状流界面扰动波频率值。利用实验结果对现有模型进行验证分析,在此基础上利用Strouhal数描述液相流动条件的影响,利用Froude数描述气相流动条件的影响,建立了预测环状流界面扰动波波动频率的St-Fr模型,经实验数据验证预测的平均绝对误差(MAE)为11.42%。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15~35 m/s、液相表观流速0.1~0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15～35 m/s、液相表观流速0.1～0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

水平矩形管内气液两相流界面波特性

<正>气液两相流中界面波的存在对传热、传质、阻力特性及稳定性都有很大影响。前人有关界面波的研究大多偏重于两相流中界面波的类型及其转变,而对其特征参数变化规律(如振幅、波长、频率和速度等)的研究则很少。但界面波对气液两相流流动阻力和流动结构影响机理的深入研究必须以了解界面波的各特性参数为前提,同时界面波有关特性参数的深入研究也可为气液两相流的数学理论化提供实验基础。 本文以气、水为工质,系统研究了水平矩形管内气液两相流的界面波特性。根据界面波在时域、幅域内的不同特征区别出了各种类型的波并给出了相应的波形和流型图。着重研究了界面波各特征量随气液两相流量变化的变化规律。     

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。     

水平微翅管内环状流两相强制对流蒸发换热的计算模型

对水平微翅管内的环状流流动和换热特性进行了分析.考虑微翅管内环状流液膜中的扰动和二次流的作用,借用粗糙管速度分布和摩擦相似函数建立了水平微翅管内环状流两相强制对流蒸发换热系数的预测模型.理论计算值与实验数据相比较,结果较令人满意.     

垂直管内两相流流型的实验研究

为正确预测气井井筒气液两相流动规律,在多相流实验平台上开展了不同管径(28、60 mm)和不同压力(0.10、0.50 MPa)下空气/水两相流流型实验,利用高速摄像机再现了泡状流、段塞流、搅动流和环状流的流型结构和过渡现象,绘制了实验流型图,对比了管径、压力对流型过渡的影响以及分析了环状流形成与液滴夹带的关系,在气液两相流实验的基础上,以环状流形成过程为例,从流型的物理现象着手,对环状流形成的机理进行了定义和数学建模,从而建立了产液气井两相流流型转变组合机理模型。将该组合机理模型和不同管径、不同压力下的实验结果进行对比,发现新模型均能正确预测各流型间的转变条件,具有一定的通用性。     

微通道气液两相流型及界面面积测定

以氢氧化钠水溶液及纯二氧化碳气体为工质,研究了石英玻璃微通道中的气液两相流流型及两相界面面积.实验中可清晰分辨的流型为弹状流(Slug),弹状-环状流(Slug-annular)及搅拌流(Churn),由实验观测的结果建立了相应的流型图并与Triplett实验结果进行了比较,结果表明高液相表观流速对流型转换影响较大.在微通道中可以实现比较高的气液两相界面面积,实验范围内气液两相界面面积高达5 070 m2/m3.两相界面面积随气相表观流速的增加而增加,而液相表观流速对两相界面面积的影响则不显著.相对于弹状流区域,在弹状-环状流及搅拌流区域可以实现比较高的传质界面面积.搅拌流区域气液两相界面面积可以采用气液表观雷诺数进行很好关联,其绝对平均偏差仅为3.76%.     

方形微通道内流动凝结时气液相界面演进过程的数值模拟

基于VOF模型,模拟了R32在水力直径为50 μm的方形微通道内流动凝结时的气液两相流型演进过程,模拟涉及的流型包括环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流。模拟结果显示,由于沿通道周向气液界面存在曲率差异,凝结液内部存在表面张力导致的横向压力梯度,驱使凝结液流向通道壁面拐角处,减薄通道壁面中部液膜厚度。基于势能最小原理,解释了表面张力与界面黏性力主导的喷射流形成机理。小质量流率时,喷射流诱发环状流上游气液界面波动,界面波动在界面黏性力的作用下逐渐生长。这与大质量流率时,流向下游并逐渐生长的界面波动导致流型转换的机理不同。     

方形微通道内流动凝结时气液相界面演进过程的数值模拟

基于VOF模型,模拟了R32在水力直径为50μm的方形微通道内流动凝结时的气液两相流型演进过程,模拟涉及的流型包括环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流。模拟结果显示,由于沿通道周向气液界面存在曲率差异,凝结液内部存在表面张力导致的横向压力梯度,驱使凝结液流向通道壁面拐角处,减薄通道壁面中部液膜厚度。基于势能最小原理,解释了表面张力与界面黏性力主导的喷射流形成机理。小质量流率时,喷射流诱发环状流上游气液界面波动,界面波动在界面黏性力的作用下逐渐生长。这与大质量流率时,流向下游并逐渐生长的界面波动导致流型转换的机理不同。     

脉动条件下旋流场内气液两相流流型及其转变机理

运用高速摄像技术对流量脉动条件下旋流分离器内气泡动力学行为及气液两相流流型展开研究。研究发现,在完整脉动周期内,流量在3.62~4.18 m³/h范围内波动,流量增大段的气核整体向溢流口方向运移,流量减小段的气核整体向底流口方向运移,气核大小及形态变化呈现周期往复性。通过脉动周期内特殊帧的分析,得出流量脉动条件下旋流场内气液两相流流型主要包括：气泡流、塞状流、弹状流、丝状流及波状流等五种形式。根据实验得出的气液两相折算速度,确定了脉动条件下气液两相流流型转换界限图,而气泡间的聚并破碎行为是产生气液两相流型的主要原因,最终构建了表征截面含气量和分离效率之间关系的评价模型。     

脉动条件下旋流场内气液两相流流型及其转变机理

运用高速摄像技术对流量脉动条件下旋流分离器内气泡动力学行为及气液两相流流型展开研究。研究发现,在完整脉动周期内,流量在3.62~4.18 m³/h范围内波动,流量增大段的气核整体向溢流口方向运移,流量减小段的气核整体向底流口方向运移,气核大小及形态变化呈现周期往复性。通过脉动周期内特殊帧的分析,得出流量脉动条件下旋流场内气液两相流流型主要包括：气泡流、塞状流、弹状流、丝状流及波状流等五种形式。根据实验得出的气液两相折算速度,确定了脉动条件下气液两相流流型转换界限图,而气泡间的聚并破碎行为是产生气液两相流型的主要原因,最终构建了表征截面含气量和分离效率之间关系的评价模型。     

微通道气液两相流研究进展

介绍了国内外微化工发展背景及发展现状,微通道内气液两相流流动气泡特性和传质特性。微通道中(横向及竖向微通道)气液两相流流型划分主要有泡状流、弹状流、环状流、搅拌流等。气泡形成过程中流体挤压力对气泡表面进行破坏致使分离,表面张力则在整个过程中维持着气泡形状及长度。着重介绍了微通道内气泡形成过程及经验长度计算,比较了不同研究者提出的经验公式中气液相表观速度比和气泡长度的关系,得出气泡长度均随气液相表观速度比的增加而增加,但依据研究者实验条件不同增加趋势也不尽相同。传质方面,研究基本集中在气液相比表面积较大的泡状流、环状流上,而气液表观速度、当量直径、压强等都会影响传质系数。微通道气液两相流虽然在传热、传质方面有很大的应用前景,但仍存在研究手段单一、理论数据不完善等问题,指出在未来的研究中研究者们要扩大领域范围,为传质传热的实际应用提供更可靠的理论依据。     

起伏振动水平管气液两相流型及转变机理

起伏振动下气液两相流型的准确判定对漂浮核电站参数设计有重要意义。对起伏振动水平管气液两相流型特性进行实验研究,定义了起伏振动新流型并得到了气液相分布变化规律,揭示了管径、振频和振幅对流型转变界限的影响规律,建立了泡状流-间歇流和间歇流/分层流-环状流的转变关系式。结果表明,在起伏振动下水平管内出现泡状流、间歇流、分层流以及环状流四种流型,其中间歇流包括泡-弹间歇和弹-塞间歇两种,且气液相分布随振动位置的变化呈规律性改变。在气相折算速度不变的条件下,管径、振频、振幅增加会使泡状流-间歇流边界向上移动,间歇流-分层流边界向下移动。在液相折算速度一定的条件下,管径、振频、振幅增加会使间歇流/分层流-环状流边界向右移动。考虑了振动的影响,建立适用于低频高幅起伏振动的间歇流向泡状流与环状流转变模型,预测和实验结果的相对误差绝对值的平均值分别为7.62%和12.68%。     

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     

基于流场-电场耦合的典型流型条件下双环形电极响应特性仿真研究

针对管道内气液两相流动过程中出现的不同流型,建立了耦合两相流流场与双环形电极电场的仿真模型,模拟了分层流、波浪流、段塞流、泡状流和环状流5种典型流型,获得了典型流型条件下双环形电极间轴向电流密度空间分布特性和混合电导率动态变化特性,结合理论模型和仿真数据讨论了气液两相混合电导率与液相含率之间的定量关系。研究结果表明:双环形电极之间轴向电流密度的空间分布能够刻画气液两相流的流型特征;当利用无量纲电导率计算平均液相含率时,BegovichWatson模型适用于分层流、波浪流和环状流,而Maxwell模型适用于泡状流。     

气液两相流强化气隙式膜蒸馏脱盐实验及CFD模拟

针对管状煤基炭膜气隙式膜蒸馏过程通量低的问题,进行膜蒸馏氯化钠溶液气液两相流强化实验及CFD模拟研究,探讨两相流流型和气含率对强化过程的影响。实验结果表明:N2流量对渗透通量影响的模拟结果与实验结果吻合较好。当进料流量为40 L×hh~(-1)、N2流量为50 L×h~(-1) (气含率0.56)时,对应团状流,此时强化传质效果最好。模拟结果中强化过程的膜壁剪应力(约1.77 N×m~(-2))明显大于无强化过程(约0.015 N×m~(-2))。流动方向上,经强化后大小与方向均变化的剪应力可增强对料液的扰动进而增大渗透通量,也可降低膜污染与浓度极化程度进而延长操作时间。气含率不大于0.56b (泡状流、塞状流与团状流)时,随着气含率增大,气泡群对料液的扰动作用增强,强化传质效果变好;气含率大于0.56 (乳沫流与环状流)后,两相间出现较为明显且稳定的界面,扰动作用相比团状流时变差。利用CFD方法模拟得到的膜壁剪应力、气液两相流型、速度分布、湍流强度规律可用于定性分析两相流强化过程,为进一步探究该过程强化传质机理提供依据。     

气液两相流界面多尺度问题可计算性研究进展

气液两相流复杂多变的界面结构在瞬态时间上具有宽广的空间尺度范围.界面多尺度问题涉及化工领域、核安全领域以及其他多个领域,其可计算性是当前国内外气液两相流领域的研究焦点之一.分析了欧拉体系下处理气液两相流相界面不连续性的两种基本模型以及湍流模拟方法对界面结构的影响.针对离散流界面尺度分布性和混合流界面跨尺度性两类多尺度问题,分析了可计算性研究面临的困境,将其归因于网格尺度的约束、几何及物理边界的缺失.重点归纳了混合流界面跨尺度性问题的计算方法以及典型应用.最后对气液两相流界面多尺度问题提出了应对策略及研究趋势,为此类问题研究提供有益的参考.