為降低因管道阻力而導致的流體能量損失,實現(xiàn)流體增速效果,提出了一種主動調壓型微孔壁面管道模型.在該模型中,微孔中的空氣為液相流體提供邊界約束,從而降低其輸運阻力.增速效果可以通過控制微孔中的空氣壓力而調整.利用流體力學仿真方法,對管道內的流場特性及增速效果開展數(shù)值計算.結果表明:與相同條件直管道相比,平均增速比可達到2%～6%,最高超過了12%;增速效果在液相入口壓力較低時更為明顯,并隨著氣相壓力的增加呈現(xiàn)先增強后減弱的趨勢;氣相壓力對流速的有效調節(jié)范圍隨液相入口壓力的增大而減小.微孔口氣液界面處呈現(xiàn)小曲率對稱型彎月面時可以實現(xiàn)增速效果,但彎月面呈現(xiàn)非對稱弧形曲面時實現(xiàn)最佳增速效果的情況也存在. 

【文章來源】：排灌機械工程學報. 2020,38(02)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

管道模型及其網格示意圖

分別取主管道中距離模型正中央前后150,400μm的平均流速，記這4處的均值為v-．另一方面，將氣相入口替換為光滑壁面，獲得同樣長度的直管道模型，在相同條件下同樣取這4處平均流速的均值，記為v-"，則增速比可由(v--v-")/v-"計算獲得．圖2為不同液相入口壓力和氣相壓力條件下的液相流體增速百分比k的結果．圖中增速比均為正值，平均增速比達到2.0%～6.0%，最高增速比達到了12.5%．即使當氣相壓力為0，也有可能達到很高的增速比．這說明將部分固體管壁替代為空氣壁面是可以增加流速的．這主要是由于流動的液體在氣液界面上的黏附作用要遠小于在液固界面上的黏附作用[12]．對于直管道，流體在管壁的黏附作用是導致其動能減小的主要原因，而由于空氣壁面對液相的黏附作用遠小于固體壁面，因此能有效減小黏附作用，從而使管內液相平均流速，尤其是近壁面的流速明顯增大[13-15].對比圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，液相的入口壓力為0.5 kPa時，增速效果在4組曲線中能達到圖中所有曲線的最高值12.5%，而在3.0 kPa時則僅為2%左右．并且，隨著液相入口壓力p1的增加，這種增速效果依次下降．這說明液相在低入口壓力時增速效果更為明顯，而在高入口壓力時增速效果則比較有限．原因有兩方面:一是液相入口壓力提高，液相流速增加，與光滑壁面直管道的結果相類似，其壁面黏附效應增強，這顯然會削弱增速效果;二是壓力和流速較大時，微孔位置的氣相與液相較難達到平衡，不容易保持穩(wěn)定的氣液界面，也就難以發(fā)揮減小黏附、增加流速的最佳效果[16]．實際上，圖中液相入口壓力p1=3.0 kPa的曲線只出現(xiàn)在氣相壓力范圍750～800 Pa內的原因也正是由于壓力和流速較大時難以獲得穩(wěn)定的氣液界面．

局部壓力云圖顯示，壓力等高線位置與氣液界面形態(tài)完美重合，并且在氣液界面處壓力梯度急劇變化．流速矢量圖顯示，氣相與液相在界面處的流速矢量一致，氣體在微孔內形成旋渦流．在微孔上游與下游位置，流速變化比較劇烈，壓力云圖上也出現(xiàn)了相應的局部高壓和低壓現(xiàn)象．其中，上游位置的壓力和流速變化是由于氣液流體交匯所形成，而下游位置的壓力和流速變化主要是由部分液相流體沖擊微孔口下游壁面導致的．此外，也發(fā)現(xiàn)2類不能實現(xiàn)有效增速效果的氣液界面．其中一種如圖4a所示，液相入口壓力為2.0 kPa，氣相壓力為459 Pa時，氣液界面不能保持在微孔口處，而是被推入了微孔內．這實際上是在微孔口處將液液界面替換成了最初的固液界面，因此與最佳的氣液界面相比減阻增速效果并不明顯．另外一種如圖4b所示，相同條件下氣相壓力增大到520 Pa時，氣液界面不能夠保持平衡，氣體從微孔內被擠出，形成間歇性的氣泡．盡管這種情況可能會形成氣泡流，也可能實現(xiàn)減阻增速效果[3]，但是由于文中模型的局限性，尚未發(fā)現(xiàn)有類似效果．

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]從自然到仿生的超疏水表面的微觀結構[J]. 葉霞,周明,李健,劉會霞,袁潤,楊海峰,李保家,蔡蘭.  納米技術與精密工程. 2009(05)
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本文編號：3397252