本文關(guān)鍵詞：不同流場環(huán)境影響下管內(nèi)氣（汽）液兩相流動與傳熱特性的數(shù)值研究

  更多相關(guān)文章： 氣液兩相流 數(shù)值計算 攪混流 相界面 浸濕鋒面 下降液膜 流動沸騰

【摘要】：氣(汽)液兩相流問題廣泛地存在于自然界和工業(yè)界的諸多領(lǐng)域,密切關(guān)系著人民的生活和生產(chǎn)安全。流體的實際流動和傳熱效果受流體固有物理化學(xué)性質(zhì)和流場環(huán)境的綜合作用。流體的物理化學(xué)性質(zhì)通常是可查詢或可測量的,但是流場環(huán)境常常會主動或被動的發(fā)生改變,其中流場環(huán)境的被動改變往往是無法控制和難以預(yù)測的,最終造成流體流動和傳熱的實際真實值與理論預(yù)測值產(chǎn)生偏差。由于流場環(huán)境無時無刻不在影響甚至決定著內(nèi)部流體的流動與傳熱特征,因此其研究重要性不言而喻。本文在考慮不同流場影響的基礎(chǔ)上,借助數(shù)值方法的優(yōu)越性,利用基于計算流體動力學(xué)(CFD)理論的商用計算軟件平臺Fluent,選擇VOF多相流模型和RNG k-ε湍流模型求解氣(汽)液相界面行為,通過編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)添加汽、液質(zhì)量和能量源項來考慮有相變發(fā)生時的質(zhì)能傳遞問題。采用二階迎風(fēng)差分格式處理對流項,壓力基分離求解方法選取PRESTO,利用PISO作為壓力速度耦合算法。為了驗證數(shù)學(xué)模型和自編程函數(shù)的準確性,文中選取多種途徑的驗證方式。采用的驗證標準包括實驗測量數(shù)據(jù)、經(jīng)驗修正公式以及理論推導(dǎo)公式等。對應(yīng)流場環(huán)境下的對比顯示,數(shù)值計算結(jié)果與已有數(shù)據(jù)結(jié)果表現(xiàn)出了較好的一致性,表示建立的數(shù)學(xué)模型能夠準確處理一定流場環(huán)境影響下的流體流動與傳熱問題。根據(jù)工況不同選用的工質(zhì)材料包括空氣-水、水蒸汽-水和R134a蒸汽-液體三組混合物,對重力流場、壓力流場和熱載流場影響下管內(nèi)氣(汽)液兩相流動與傳熱特性進行了較全面系統(tǒng)的研究分析。1.重力流場。建立了低重力流場下管內(nèi)氣液兩相流的數(shù)值模型,分析了低重力環(huán)境下氣(汽)液兩相流的運動特性。低重力環(huán)境下慣性力、粘性力和表面張力的影響相對增強,成為流型形成和改變的主要因素,使低重力流場下的流型形狀與常重力相比有顯著差別。與常重力流場相同,氣(汽)、液流速的增大會使流動壓降提高,且重力加速度越小,氣(汽)液流動壓降越大。因此,常重力下預(yù)測氣液兩相流摩擦壓降的均相流模型、Friedel模型和Chisholm模型都不能用于預(yù)測低重力環(huán)境下的壓降結(jié)果。根據(jù)分液相Re數(shù)對低重力場流動重新分區(qū),修正后的Chisholm關(guān)系式能夠準確預(yù)測低重力流場下的流動壓降。對于存在相界面波動的攪混流型,隨著重力場的減弱,界面波波峰高度隨之增大,界面波的形成周期隨之延長,相界面穩(wěn)定性隨之增強。2.壓力流場。根據(jù)高壓環(huán)境特性,建立了高壓流場下垂直管道內(nèi)汽液兩相流的數(shù)值模型。高壓環(huán)境下的流型圖分布與Hewitt和Roberts流型圖的吻合度較差。高壓環(huán)境下沒有出現(xiàn)霧狀流；彈狀流區(qū)被壓縮；泡狀流區(qū)擴大,幾乎覆蓋了常重力流場下的泡狀流區(qū)、彈狀流區(qū)和部分霧狀流區(qū)。對界面波動特性的研究顯示,流場壓力越大,界面波振幅越大、形成周期延長、相界面穩(wěn)定性提高。對于攪混流,流場壓力對管道中心速度場分布的影響不大。與常壓環(huán)境相比,隨著流場壓力的增大,近壁面處局部速度場振蕩的隨機和紊亂程度有所減弱。以汽、液無量綱流速為軸建立坐標系,在垂直管道內(nèi)的汽液逆流過程中,高壓環(huán)境下淹沒開始點呈二次函數(shù)分布,且分布方式與流場壓力無關(guān),文中采用最小二乘法回歸得到了修正后的淹沒開始點預(yù)測經(jīng)驗公式。全部攜帶點、流向反轉(zhuǎn)點和有滯后現(xiàn)象的淹沒消失點均呈線性分布。文中以常壓流場為基準,討論了流場壓力對汽液逆流過程的影響。3.熱載流場。通過添加汽、液質(zhì)能源項,建立了熱載流場下汽液兩相流動和傳熱的數(shù)值模型。當下降液膜重新浸潤裸露熱壁時,液膜前沿接觸角會發(fā)展為浸濕鋒面。當壁面過熱度達到一定值時,浸濕鋒面與壁面分離,不再參與熱壁的冷卻換熱。為了研究浸濕鋒面的運動特征,文中定義了浸濕鋒面的臨界分離長度及其發(fā)生位置、臨界分離高度以及保持分離的臨界時長,文中以壁面熱流密度和液膜Re數(shù)為變量,繪制了以上特征參數(shù)的分布圖。對于下降液膜流動過程中的傳熱和運動特性,討論的內(nèi)容涉及核態(tài)沸騰的發(fā)生時間及位置、沸騰初期飽和汽泡的形成過程及其對液膜表面波動的影響,和下降液膜的傳熱狀態(tài)分布等。不同工況下降膜表面換熱系數(shù)的變化趨勢是一致的,即從初始值逐漸下降,直至穩(wěn)定在某一數(shù)值。本文計算范圍內(nèi),相同入口液流量下的表面換熱系數(shù)近似相等,與壁面熱流密度無關(guān)。相同入口液流量工況下,壁面熱流密度越高,初始表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化梯度越大,最終達到的穩(wěn)定值減��；但此過程所需要的發(fā)展時間幾乎相同。
【關(guān)鍵詞】：氣液兩相流 數(shù)值計算 攪混流 相界面 浸濕鋒面 下降液膜 流動沸騰
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-18
• 主要符號表18-20
• 第1章 緒論20-34
• 1.1 選題來源及意義20-21
• 1.2 流場環(huán)境影響方式及分類21-22
• 1.3 流場環(huán)境影響作用研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向22-30
• 1.3.1 幾何結(jié)構(gòu)流場的影響研究22-25
• 1.3.2 重力環(huán)境流場的影響研究25-26
• 1.3.3 壓力環(huán)境流場的影響研究26-28
• 1.3.4 熱載環(huán)境流場的影響研究28-30
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點30-34
• 1.4.1 主要研究內(nèi)容30-32
• 1.4.2 主要創(chuàng)新點32-34
• 第2章 氣液兩相流動與傳熱的數(shù)值計算34-50
• 2.1 CFD簡述34-35
• 2.2 FLUENT軟件簡介35-36
• 2.3 氣液兩相流基本理論36-39
• 2.3.1 主要參數(shù)36-38
• 2.3.2 相間作用力38-39
• 2.4 多相流模型的選擇39-40
• 2.5 氣液兩相流模型控制方程40-43
• 2.5.1 控制方程40-41
• 2.5.2 湍流模型41-43
• 2.5.3 壁面函數(shù)法43
• 2.6 氣液兩相流方程的求解43-48
• 2.6.1 通用控制方程的離散45-46
• 2.6.2 壓力速度的耦合算法46-48
• 2.7 初始條件和邊界條件48-49
• 2.7.1 初始條件48
• 2.7.2 邊界條件48-49
• 2.8 本章小結(jié)49-50
• 第3章 重力流場環(huán)境對氣液兩相流動的影響50-78
• 3.1 引言50-51
• 3.2 物理模型51-52
• 3.2.1 垂直管道51-52
• 3.2.2 水平管道52
• 3.3 數(shù)值模擬52-55
• 3.3.1 控制方程及離散方法52-54
• 3.3.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分54-55
• 3.4 數(shù)值模型的對比驗證55-60
• 3.4.1 微重力流場環(huán)境下數(shù)值方法驗證55-57
• 3.4.2 部分重力流場環(huán)境下數(shù)值方法驗證57-58
• 3.4.3 常重力流場環(huán)境下數(shù)值方法驗證58-60
• 3.5 重力流場對水平管內(nèi)氣(汽)液兩相流型的影響60-63
• 3.6 重力流場對水平管內(nèi)氣液兩相流壓降值的影響63-69
• 3.7 重力流場對垂直管內(nèi)汽液攪混流相界面波動特性的影響69-76
• 3.7.1 界面波振幅高度71-74
• 3.7.2 界面波的形成周期74-75
• 3.7.3 氣液相界面穩(wěn)定性75-76
• 3.8 本章小結(jié)76-78
• 第4章 壓力流場對汽液兩相流動的影響78-97
• 4.1 引言78
• 4.2 物理模型78-79
• 4.3 數(shù)值模擬79-80
• 4.3.1 控制方程及離散方法79-80
• 4.3.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分80
• 4.4 數(shù)值模型的對比驗證80-83
• 4.4.1 實驗(1)80-81
• 4.4.2 實驗(2)81-83
• 4.5 壓力流場對垂直管內(nèi)汽液兩相流型分布的影響83-85
• 4.5.1 計算工況83-84
• 4.5.2 壓力流場對泡狀流與彈狀流分布的影響84-85
• 4.5.3 壓力流場對攪混流與環(huán)狀流分布的影響85
• 4.6 壓力流場對汽液相界面波動特性的影響85-91
• 4.6.1 計算工況與數(shù)值結(jié)果85-88
• 4.6.2 界面波振幅88-89
• 4.6.3 界面波周期89
• 4.6.4 相界面穩(wěn)定性89-90
• 4.6.5 攪混流速度場分布90-91
• 4.7 壓力流場對汽液兩相逆流過程的影響91-95
• 4.7.1 淹沒開始點92-93
• 4.7.2 全部攜帶點和流向反轉(zhuǎn)點93-94
• 4.7.3 淹沒消失點94-95
• 4.8 本章小結(jié)95-97
• 第5章 熱載流場對下降液膜流動與傳熱的影響97-133
• 5.1 引言97-98
• 5.2 物理模型98-99
• 5.3 數(shù)值模擬99-102
• 5.3.1 控制方程99-100
• 5.3.2 網(wǎng)格劃分100-102
• 5.3.3 邊界條件102
• 5.3.4 基于UDF的沸騰模擬實現(xiàn)102
• 5.4 數(shù)值模型的對比驗證102-105
• 5.4.1 與經(jīng)驗修正公式對比驗證103-104
• 5.4.2 與實驗結(jié)果對比驗證104-105
• 5.5 浸濕鋒面105-115
• 5.5.1 浸濕鋒面形成過程105-107
• 5.5.2 浸濕鋒面流型比較107-108
• 5.5.3 浸濕鋒面的特征參數(shù)分布108-115
• 5.6 降膜流動沸騰115-122
• 5.6.1 汽泡的形成過程115-118
• 5.6.2 核態(tài)沸騰發(fā)生的時間及位置118-121
• 5.6.3 下降液膜核態(tài)沸騰的影響因素121-122
• 5.7 汽液相界面運動特性122-127
• 5.7.1 相界面波動特性123-124
• 5.7.2 汽泡對相界面波動的影響124-127
• 5.8 降膜冷卻傳熱特性127-131
• 5.8.1 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布127-130
• 5.8.2 下降液膜傳熱方式130-131
• 5.9 本章小結(jié)131-133
• 第6章 結(jié)論與展望133-135
• 6.1 研究結(jié)論133-134
• 6.2 研究展望134-135
• 參考文獻135-143
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果143-144
• 致謝144-145
• 作者簡介145

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本文編號：709332