液氣兩相同軸受限射流的研究.pdf

1、氣泡發(fā)生器廣泛應(yīng)用于化工、礦業(yè)及核工業(yè)等領(lǐng)域中，氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)它的性能影響很大，合理的結(jié)構(gòu)對(duì)提高氣泡發(fā)生器的工作效率具有重要意義。本文的目的是通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，探索氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)的規(guī)律，從而為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的氣泡發(fā)生器提供科學(xué)的依據(jù)。 本文分析了氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)，將氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)簡(jiǎn)化為液氣兩相同軸受限射流模型，用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了氣泡發(fā)生器內(nèi)部的流場(chǎng)，并根據(jù)研究結(jié)果提出了氣泡發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為進(jìn)一步

2、研究改進(jìn)氣泡發(fā)生器，設(shè)計(jì)高效率的氣泡發(fā)生器打下基礎(chǔ)。本文所做的主要工作如下： 一.氣泡發(fā)生器設(shè)計(jì)中流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配是關(guān)鍵的因素，直接影響氣泡發(fā)生器使用效果。針對(duì)現(xiàn)有的氣泡發(fā)生器缺乏流體力學(xué)機(jī)理研究，缺乏流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)合理匹配的現(xiàn)狀，根據(jù)射流泵原理，設(shè)計(jì)并制造了氣泡發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)裝置，并同時(shí)搭建了用于測(cè)量氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)的3分量激光多普勒測(cè)速實(shí)驗(yàn)裝置。 二.建立了用于數(shù)值模擬氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值

3、模擬了氣泡發(fā)生器單相引射的同軸受限射流流場(chǎng)。模擬結(jié)果顯示喉管段入口較紊亂，沿流向喉管段后部運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度在噴嘴入口、吸入口、混合室及喉管入口處較大；大的吸入口直徑有利于提高吸氣效率；過大或過小的喉管直徑都不利于摻混產(chǎn)泡的進(jìn)行；喉管長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，以兩相湍流為充分發(fā)展時(shí)的長(zhǎng)度為宜。 三.數(shù)值模擬了氣泡發(fā)生器中液體引射氣體的兩相同軸受限射流流場(chǎng)，使用VOF方法建立了氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并用標(biāo)準(zhǔn)的兩相κ-ε湍流模型

4、模擬了氣泡發(fā)生器兩相流場(chǎng)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，兩相同軸受限射流比單相同軸受限射流更加復(fù)雜，流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的紊亂程度更高，在混合室內(nèi)產(chǎn)生角區(qū)分離，喉管段內(nèi)伴隨著強(qiáng)烈的渦旋流動(dòng)，擴(kuò)散段還有迥流和湍塞現(xiàn)象，通過吸入口的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡比單相引射時(shí)扭曲，說明兩相引射比單相引射具有更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 四.利用激光多普勒測(cè)速技術(shù)測(cè)量了氣泡發(fā)生器內(nèi)部平均流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過低的噴嘴射流出口速度不利于流體在喉管內(nèi)的卷吸和摻混作用；低的噴嘴射流出口速度

5、會(huì)導(dǎo)致喉管內(nèi)流動(dòng)的分層，并在沿流動(dòng)方向橫斷面的上部分區(qū)域形成相對(duì)高速的氣體流動(dòng)區(qū)域，并在此區(qū)域形成渦旋流動(dòng)，而在橫斷面的下部分形成低速的液相運(yùn)動(dòng)；高的噴嘴射流出口速度使得喉管內(nèi)的紊亂摻混作用強(qiáng)烈和均勻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的吻合性。利用子波能譜分析的能量最大準(zhǔn)則，提出了子波分析自動(dòng)辨識(shí)液氣兩相流中液、氣兩相的方法。 五.提出了改進(jìn)方案，通過模型結(jié)構(gòu)對(duì)湍流流場(chǎng)的影響的分析，以及混合室內(nèi)分離現(xiàn)象的研究，綜合考

6、慮各種影響，得出對(duì)原有物理模型φd=40mm、φD=40mm及L=600mm進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后模型結(jié)構(gòu)為φd=40mm、φD=40mm及L=500mm，即減小原模型的喉管長(zhǎng)度。同時(shí)改變混合室結(jié)構(gòu)形狀，混合室取消角區(qū)，將混合室的形狀從橫臥的圓柱體改為上下對(duì)稱流線旋轉(zhuǎn)體形狀，并適當(dāng)延長(zhǎng)混合室軸(流)向長(zhǎng)度，將吸入口從豎直方向改為向后傾斜方向，盡量消除角區(qū)的分離渦及其對(duì)引射進(jìn)口吸入流體效率的影響，這樣的修改有利于增加吸入流量、節(jié)省吸入動(dòng)能，從而