周期性力场作用下窄通道内两相流压降特性

通过实验研究了摇摆造成的周期性附加惯性力作用下矩形窄通道内空气 水两相流压降特性。按分液相雷诺数将流动分为层流区（Re_f <800）、过渡区（800≤Re_f≤1 400）及湍流区（Re_f >1 400）3个区域,并对各区域内附加压降、重位压降和摩擦压降平均值及瞬态值进行了比较。结果表明,附加惯性力对窄通道内两相流整数倍周期内平均摩擦阻力无明显影响。周期性附加惯性力作用下(摇摆周期16 s,摇摆振幅30°),层流区及过渡区气相表观速度、液相表观速度、质量含气率及摩擦压降随时间周期性波动,波动周期等于摇摆运动周期;瞬时摩擦压降相对于其平均值的波动幅值随气液两相流速的增加而减小。湍流区两相流动参数周期性波动不明显。     

摇摆条件下窄矩形通道内两相流动瞬态阻力特性研究

摇摆条件下的气液两相流动受摇摆引起的附加惯性力的影响,致使其摩擦阻力特性发生改变。本工作在摇摆周期为8、12、16 s和摇摆振幅为10°、15°、30°的条件下,对窄矩形通道（40 mm×1.6 mm）内空气-水两相流动的瞬态阻力特性进行了研究。结果表明：摇摆时瞬态摩阻系数的变化呈明显周期性;气相质量含气率越大,摩擦压降的波动幅度越大;摇摆周期越小,振幅越大,摩擦压降的波动幅度越大。给出1个用于计算摇摆条件下两相摩阻系数的关联式,92.5%的计算值的相对误差在±20%以内     

竖直大圆管内界面面积浓度分布特性

采用光纤探针测量方法对垂直上升管中空气-水两相流动的界面面积浓度（IAC）分布规律进行了研究。实验选用圆管直径为100mm和50mm(分别属于大管径和过渡管径范围)。气相、液相表观速度的范围分别为 0.01～1.0 m?s-1和 0～1.0 m?s-1。首先通过高速摄影获取的影像数据对光纤探针法的测量精度进行评价,并在此基础上对光纤测量方法进行了标定,然后利用实验获得了IAC、索特平均直径（气泡直径）径向分布情况。通过对比分析两个圆管管内IAC、气泡直径分布特点,得到了管径的尺度效应对IAC及气泡行为的影响规律。利用获得的IAC数据,对几类IAC计算模型进行了评价,并基于Hibiki-Ishii（2002）模型,通过实验数据拟合,得到了更高计算精度的IAC计算关联式。     

倾斜、摇摆对矩形通道内泡状流局部界面参数分布的影响

借助高速摄像机,对倾斜和摇摆条件下矩形通道(43 mm×3.25 mm×2000 mm)内泡状流局部界面参数的横向分布特性进行实验研究,包括局部气泡比例、空泡份额及界面面积浓度(IAC)。实验结果表明,竖直、倾斜及摇摆条件下,局部气泡比例、空泡份额及IAC三者的横向分布形状相类似。竖直静止及摇摆至竖直位置时,通道内中间较大范围内各局部参数变化缓慢,在xi/(w/2)=±0.5(xi为以通道宽边中心轴线为原点到窄边内壁面的距离,w为宽边尺寸)附近出现峰值;随着倾斜和摇摆角度的增大,下壁面附近峰值被削弱,上壁面附近峰值被加强。实验摇摆参数范围内,摇摆时局部参数的横向分布与实验段倾斜至相同角度时的分布十分相近;主要原因为在横向上摇摆引起附加惯性浮力远小于气泡受到的浮力。     

倾斜通道内泡状流空泡份额分布特性

对窄矩形通道(3.25 mm×43 mm)和常规圆管(i.d.50 mm)内泡状流空泡份额分布特性进行了实验研究,探究倾斜对气泡和气液界面分布的影响。实验以空气和纯净水为工质,倾斜角度为5°、10°和15°。结果表明窄矩形通道内空泡份额主要呈壁峰型分布,未观察到核峰型分布;常规圆管内存在核峰型和壁峰型两种分布类型。倾斜对窄矩形通道和常规圆管内壁峰型分布影响相似,即随着倾斜角度的增加,靠近上壁面的峰值被加强,靠近下壁面的峰值被削弱直至消失。对于圆管内核峰型分布,倾斜导致中间宽峰向通道上部倾斜,且峰值随倾斜角度增加而增大。此外,竖直和倾斜条件下壁峰型分布的峰值较常规圆管更加接近通道中心位置。     

摇摆对过冷沸腾相分布特性的影响机理分析

采用双探头光学探针测量了摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡份额、界面面积浓度及汽泡尺寸等局部相界面参数径向分布特性,根据实验及计算结果,从汽液相界面作用力角度对摇摆运动条件下过冷沸腾相分布机理进行了分析。结果表明：摇摆条件下,浮力径向分量、升力、湍流分散力和壁面润滑力量级约为10³ N/m³,附加惯性力与其余诸力相比小2～3个量级。因此摇摆条件下过冷沸腾相分布特性主要取决于周期性波动的升力、湍流分散力、壁面润滑力及浮力径向分量之间的平衡关系。     

竖直圆管内泡状流界面参数分布特性

采用双头光纤探针对内径为50 mm竖直圆管内空气-水两相泡状流界面参数径向分布特性进行了实验研究。气液两相表观速度变化范围分别为0.004～0.05 m/s和0.071～0.283 m/s。结果表明,竖直管内向上泡状流局部界面面积浓度（IAC）、空泡份额及气泡频率径向分布相类似,即气相流速较低时管道中间很大范围内以上3个局部界面参数几乎恒定,近壁区迅速下降到较低值;随气相流速的增加,局部界面参数在管道中心出现峰值。本实验中气泡聚合与破碎现象较少发生,索特平均直径沿径向近似均匀分布,且随气液两相流速变化很小。通过气泡横向受力解释了局部界面参数分布的影响机理。     

矩形通道内脉动层流相位差实验研究

对流量脉动条件下矩形通道内的相位差进行了实验研究，通过建立的脉动层流相位差数学模型，对脉动周期、脉动振幅、通道结构尺寸和流体性质等因素进行了分析，并将实验数据与理论模型结果进行对比。结果表明：矩形通道内，脉动层流的流量变化滞后于压降变化，存在相位差，该相位差仅与脉动周期、流道结构尺寸和流体性质有关，与压降相对振幅无关。     

摇摆条件下单相水强制循环阻力特性实验研究

常温常压下,以去离子水为工质,对摇摆条件下当量直径为5.58mm的有机玻璃矩形通道内流动阻力特性进行了实验研究。结果表明：摇摆条件下摩擦阻力系数随时间周期性波动,波动周期等于摇摆运动周期。雷诺数越小,摇摆运动的周期越小,最大摇摆角度越大时,实验段摩擦阻力系数波动幅值越大。通过π定理推导和大量实验数据的拟合,得到了计算摇摆条件下瞬态摩擦阻力系数的经验关系式。     

摇摆对单相强制循环层流阻力特性的影响

为揭示不同驱动压头下摇摆运动对单相流动特性的影响机理,对摇摆条件下矩形通道内单相水层流阻力特性进行了理论和实验研究.实验结果表明,摇摆条件下流量波动幅值随驱动压头增加而迅速减小,当驱动压头大于附加压降幅值的10～11倍时,流动最终趋于稳定.驱动压头较低时,摇摆条件下瞬时摩擦压降与流量存在相位差,且不能采用稳态关系式预测.驱动压头较高时,摇摆条件下瞬时摩擦压降不波动,可采用稳态关系式计算.通过分析速度分布,解释了不同驱动压头下摇摆运动对矩形通道内单相强迫循环摩擦阻力特性的影响机理.