傾斜圓管內(nèi)液氮-氮蒸汽液泛流動(dòng)特性及臨界速度預(yù)測(cè)方法.pdf

1、隨著空分裝備朝超大型化方向發(fā)展、液化天然氣應(yīng)用快速增長(zhǎng)以及低溫推進(jìn)劑在液體火箭中普及，低溫氣液兩相流動(dòng)研究越來(lái)越成為事關(guān)國(guó)家能源和航天工業(yè)技術(shù)升級(jí)的重要課題。而液泛現(xiàn)象廣泛發(fā)生于包括低溫流體的氣液兩相流設(shè)備中，現(xiàn)有的液泛研究成果大多適用于常溫流體，低溫流體與常溫流體相比表面張力、粘性等物性差別較大，導(dǎo)致低溫流體液泛發(fā)生機(jī)理存在本質(zhì)不同，對(duì)低溫流體液泛速度的預(yù)測(cè)成為當(dāng)前兩相流研究的熱點(diǎn)之一，其發(fā)生機(jī)理和臨界速度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)方法亟待研究。為探究

2、低溫流體液泛機(jī)理，并建立液泛臨界速度預(yù)測(cè)模型，本文主要開(kāi)展了以下四個(gè)方面的工作：
　　1、基于有粘Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定理論，建立了傾斜圓管液泛速度預(yù)測(cè)理論模型，揭示了流體物性以及幾何結(jié)構(gòu)對(duì)液泛臨界速度的影響機(jī)理。
　　Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定（KHI）理論已廣泛用于界面不穩(wěn)定的預(yù)測(cè)。研究表明，粘性小時(shí)，在計(jì)算液泛速度時(shí)反而需要考慮粘性的影響，即需要基于有粘KHI（VKHI）理論?？紤]到液氮粘度

3、遠(yuǎn)小于水，本文基于 VKHI理論計(jì)算液泛臨界速度，假設(shè)具有最大增長(zhǎng)因子的界面波為最危險(xiǎn)波并觸發(fā)液泛，建立起兩相流不穩(wěn)定到液泛的內(nèi)在聯(lián)系，從而構(gòu)建起傾斜管內(nèi)適用于低溫流體液泛理論計(jì)算模型。理論預(yù)測(cè)與常溫和低溫流體液泛實(shí)驗(yàn)結(jié)果均吻合較好?；谠摾碚撃Ｐ?，研究了密度、表面張力和粘性等物性和幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液泛臨界速度的影響，發(fā)現(xiàn)減小氣體密度和液體粘度，增大表面張力、傾斜角和管徑，均能增大液泛臨界氣速。
　　2、以液氮（LN2）-飽和氮蒸汽

4、（VN2）和水-空氣為工質(zhì)開(kāi)展了液泛實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性，并探究了液泛過(guò)程流態(tài)轉(zhuǎn)變特性。
　　低溫流體與常溫流體的物性差異導(dǎo)致液泛機(jī)理不同，現(xiàn)有的液泛實(shí)驗(yàn)幾乎均以常溫流體為工質(zhì)。本文搭建了絕熱傾斜圓管液泛可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以L(fǎng)N2-VN2和水-空氣開(kāi)展液泛對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)量得到了不同傾角的液泛臨界速度，觀察了液泛過(guò)程的流態(tài)轉(zhuǎn)變特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：LN2-VN2液泛臨界氣速要遠(yuǎn)小于水-空氣液泛臨界氣速，相比水-空氣液泛發(fā)生時(shí)呈

5、現(xiàn)出完整的界面波反轉(zhuǎn)以及段塞流，低溫流體液泛發(fā)生時(shí)，界面波易被吹散形成液滴流。結(jié)果證明了理論模型能夠較好地預(yù)測(cè)低溫工質(zhì)液泛。本文提出了一套同時(shí)適用于低溫流體和常溫流體的液泛速度經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，誤差小于20％。
　　3、建立了傾斜管中液泛過(guò)程 CFD數(shù)值模型，探究了表面張力及粘性等對(duì)液泛流態(tài)影響的內(nèi)在規(guī)律。
　　液泛過(guò)程氣液相界面結(jié)構(gòu)的跨尺度變化以及劇烈的相間動(dòng)量交換是數(shù)值計(jì)算的難點(diǎn)。本文采用多尺度相界面識(shí)別技術(shù)和代數(shù)界面密度（A

6、IAD）界面曳力計(jì)算模型，分析了液泛流態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程，探究了表面張力和粘性對(duì)流態(tài)的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：表面張力能夠起到穩(wěn)定液膜的作用，表面張力較小時(shí)，液膜更易被撕裂形成小液滴；而液體粘度則表現(xiàn)為液膜的內(nèi)聚力，液體粘度越大，界面波越易形成段塞流。
　　4、研究了液泛過(guò)程界面波動(dòng)特性，揭示了液泛發(fā)生前后界面波動(dòng)對(duì)液泛的影響。
　　界面波是液泛發(fā)生的起源和液泛現(xiàn)象形成的先決條件，而液泛現(xiàn)象是個(gè)高度不穩(wěn)定和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，了解界面波動(dòng)在

7、液泛發(fā)生前后的變化規(guī)律有助于更深入理解液泛發(fā)生本質(zhì)，現(xiàn)有研究較少對(duì)液泛過(guò)程界面波波動(dòng)特性展開(kāi)深入研究。本文根據(jù)CFD數(shù)值計(jì)算和液泛實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從界面波角度，對(duì)壁面切應(yīng)力和壓差波動(dòng)信號(hào)展開(kāi)了頻譜分析和小波分析，對(duì)比研究LN2-VN2和水-空氣兩組工質(zhì)在液泛發(fā)生時(shí)的波動(dòng)頻率和強(qiáng)度。結(jié)果表明：液泛發(fā)生過(guò)程液膜存在急劇振蕩行為；液泛發(fā)生時(shí)，相界面波動(dòng)主頻在2.5 Hz附近；對(duì)于水-空氣，液泛發(fā)生前的波動(dòng)頻率要大于液泛發(fā)生時(shí)的頻率，對(duì)于LN2-VN