搖擺條件下大圓管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)界面輸運(yùn)特性.pdf

1、搖擺運(yùn)動(dòng)作為船舶在海洋環(huán)境中典型的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中熱工水力特性會(huì)產(chǎn)生重要影響，因此搖擺條件下單相及兩相流動(dòng)研究得到了越來越廣泛的關(guān)注。然而搖擺條件下兩相流動(dòng)過程中局部界面特性的研究罕見報(bào)道。與非搖擺情況下相比，搖擺條件下的兩相界面結(jié)構(gòu)及其變化可能存在很大的不同。另一方面，界面上的傳熱傳質(zhì)過程也會(huì)受到搖擺運(yùn)動(dòng)的影響。因此，開展搖擺條件下兩相流動(dòng)界面輸運(yùn)特性實(shí)驗(yàn)，深入研究搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)兩相流動(dòng)局部特性的影響，可為完善兩流體模型并使其能夠應(yīng)

2、用于海洋條件下兩相流計(jì)算奠定基礎(chǔ)。
　　以實(shí)驗(yàn)手段為主，對(duì)靜止（非搖擺）及搖擺條件下氣液兩相泡狀流中局部界面輸運(yùn)特性展開研究。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，工質(zhì)為空氣和自來水。實(shí)驗(yàn)段采用透明有機(jī)玻璃圓管，內(nèi)徑分別為50.8mm和101.6mm，其中以101.6mm大圓管內(nèi)的實(shí)驗(yàn)為主。實(shí)驗(yàn)段豎直固定在搖擺臺(tái)架上，通過搖擺臺(tái)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)段的豎直和傾斜狀態(tài)及搖擺運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，自研四傳感器光學(xué)探針，并用于測(cè)量局部時(shí)均空泡份額、界面面積濃度

3、(IAC)、Sauter平均直徑、界面速度和氣泡頻率等界面參數(shù)。提出了搖擺條件下探針信號(hào)數(shù)據(jù)處理方法，并針對(duì)靜止及搖擺條件下探針信號(hào)數(shù)據(jù)編制了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件。運(yùn)用光學(xué)探針測(cè)量方法，大量獲取了靜止及搖擺條件下局部界面參數(shù)，建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，為改進(jìn)完善兩流體模型提供數(shù)據(jù)支持。
　　豎直靜止條件下兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大通道和常規(guī)通道內(nèi)相分布類型均可歸納為壁峰型、平直型和核峰型三種。隨氣流量增大，相分布類型基本由壁峰型向核

4、峰型轉(zhuǎn)變；隨液流量增大，分布類型基本由核峰型向壁峰型轉(zhuǎn)變。相分布類型轉(zhuǎn)換機(jī)制主要跟流場(chǎng)及氣泡尺寸形狀有關(guān)，具體可以通過氣泡徑向受力理論進(jìn)行分析解釋。在傾斜靜止兩相流動(dòng)中，隨傾斜角度增大，傾斜管上側(cè)近壁區(qū)空泡份額分布梯度變大，對(duì)應(yīng)峰值越高，同時(shí)峰出現(xiàn)位置越接近壁面；隨氣流量增加，管上側(cè)空泡份額近壁峰值增大，且峰出現(xiàn)位置點(diǎn)與壁面距離增大；隨液流量增加，管上側(cè)空泡份額近壁峰值略有降低，且峰出現(xiàn)位置點(diǎn)越靠近壁面。搖擺條件下兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，

5、在搖擺周期或幅度較小時(shí)，局部空泡份額隨搖擺運(yùn)動(dòng)的分布峰可能出現(xiàn)在搖擺幅值位置（最大搖擺角度）之后；而在搖擺周期或幅度較大時(shí)，分布峰值可能出現(xiàn)在幅值位置之前。即，隨搖擺周期或搖擺幅度增加，分布峰出現(xiàn)位置存在提前的趨勢(shì)。在相同搖擺條件下，隨氣相流量增加，分布峰出現(xiàn)位置呈現(xiàn)出提前的趨勢(shì)；而隨液相流量增加，分布峰值出現(xiàn)位置呈現(xiàn)出延后的趨勢(shì)。此外，在搖擺運(yùn)動(dòng)的水平平衡位置時(shí)，徑向空泡份額分布變化要滯后于搖擺運(yùn)動(dòng)。
　　在理論研究方面，主要對(duì)

6、兩流體模型中界面面積輸運(yùn)模型（氣泡聚合、破裂模型）和界面力模型等封閉條件進(jìn)行討論分析。通過將升力、壁面力和湍流擴(kuò)散力三種界面力模型添加到CFD軟件CFX中，開展靜止條件下氣液兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，對(duì)不同的界面力模型進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。此外，還嘗試對(duì)搖擺條件下氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行仿真模擬。豎直靜止大圓管內(nèi)氣液兩相流數(shù)值模擬結(jié)果表明，升力模型Tomiyama(2002)、壁面力模型Tomiyama(1998)和湍流擴(kuò)散力模型Burns