氣液兩相彈狀流具有間歇性和不穩(wěn)定性,是氣液兩相流動中最復(fù)雜的流型之一,其廣泛存在于動力工程、石油化工和核工程等領(lǐng)域。矩形通道因其傳熱性能良好、相應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于核工程等領(lǐng)域。加深對矩形通道中彈狀流特性的認(rèn)識,有利于工程設(shè)計。借助高速攝像方法,對豎直和傾斜條件下矩形通道內(nèi)氣液兩相流彈狀流特性開展可視化實驗研究。實驗在常溫常壓下進行,工質(zhì)為空氣和水。實驗回路開放,采用泵驅(qū)動強制循環(huán)。實驗中,共采用了五種不同尺寸的可視化矩形通道實驗段,當(dāng)量直徑范圍為2.08～15.96mm,高寬比為0.025～0.228。氣相和液相折算速度范圍分別為0.10～2.51m/s和0.16～2.62m/s,傾斜角度(與豎直方向夾角)為0°、10°、20°和30°。通過拍攝的圖像,分析矩形通道中彈狀流特點,通道尺寸和傾斜角度對彈狀流特性的影響。測量豎直矩形通道內(nèi)靜止水中、流動液體中、彈狀流中平均氣彈速度及穩(wěn)定氣彈速度,傾斜矩形通道內(nèi)彈狀流中平均氣彈速度及穩(wěn)定氣彈速度實驗數(shù)據(jù)。分析氣液相流速、傾斜角度和通道尺寸對氣彈速度的影響規(guī)律,建立較為完善的氣彈速度計算關(guān)聯(lián)式。分析了彈狀流中液彈結(jié)構(gòu)及氣彈間聚合機理,獲得氣彈速度與其前方液彈長度關(guān)系實驗數(shù)據(jù)。通過分析主流流態(tài)、傾斜角度和通道尺寸對氣彈速度與其前方液彈長度關(guān)系的影響,建立較為完善的氣彈速度與其前方液彈長度計算關(guān)聯(lián)式。研究氣彈和液彈長度統(tǒng)計規(guī)律,發(fā)現(xiàn)氣彈和液彈長度分布呈對數(shù)正態(tài)分布。探討氣液相流速、傾斜角度和通道尺寸對氣彈長度、液彈長度、彈單元頻率和氣彈長度份額的影響規(guī)律及機理。測量通道Ⅲ內(nèi)彈狀流中液膜厚度及速度,分析氣液相流速和傾斜角度對其影響,建立液膜脫離厚度及速度計算關(guān)聯(lián)式。通過圖像處理,獲得豎直及傾斜窄矩形通道彈狀流中局部和平均空泡份額、界面面積濃度和索特平均直徑等界面參數(shù)。分析氣彈段、液彈段和彈單元局部界面參數(shù)橫向分布特性,氣彈段和液彈段局部界面參數(shù)軸向分布特性。氣彈段和彈單元局部空泡份額橫向分布分為四種類型:平直型、平直非階躍型、核峰型和核峰非階躍型。液彈段空泡份額橫向分布分為三種類型:核峰型、中間峰型和雙峰型。探討氣液相流速、通道尺寸和傾斜角度對局部界面參數(shù)分布和平均界面參數(shù)的影響規(guī)律及機理。建立豎直和傾斜工況下平均空泡份額計算關(guān)聯(lián)式。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TL334
【部分圖文】：

為研宄豎直和傾斜條件下不同矩形通道內(nèi)氣液兩相彈狀流特性，將矩形通道實驗段??垂直安裝在搖擺臺架上，搖擺臺架可繞中心軸以設(shè)定的角度傾斜。實驗回路的可靠性、??測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及實驗方案的合理性對研究結(jié)論具有至關(guān)重要的影響，本章將對實驗??回路、測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法進行詳細(xì)闡述，為研宄豎直和傾斜條件下矩形通道內(nèi)彈??狀流特性，探究通道尺寸及傾斜角度對矩形通道內(nèi)彈狀流的影響規(guī)律奠定基礎(chǔ)。??２．１實驗系統(tǒng)??２．１．１實驗回路??實驗回路如圖２．１所示，由供水回路、供氣回路、實驗段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝??像系統(tǒng)五部分組成。整個實驗回路可分為固定部分和可動部分，固定部分位于水平地面，??包含：（１）供水回路中水箱、離心泵、流量計、閥門和相關(guān)管路；（２）供氣回路中壓氣??機、儲氣罐、流量計、壓力表、閥門和相關(guān)管路；（３）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機�？蓜硬�??分安放在搖擺臺上，包括實驗段、壓力傳感器、高速攝像儀、混合腔、氣水分離裝置、??閥門和相關(guān)管路，其中實驗段垂直安裝在搖擺臺上。固定部分與可動部分氣、液管路間??采用不銹鋼軟管連接，保證傾斜條件下實驗的順利進行。??空１??

力自然分離，即氣相流入大氣，水經(jīng)回水管路返回水箱，完成循環(huán)流動。調(diào)節(jié)氣液相流??量到設(shè)定值，待流動穩(wěn)定后，通過高速攝像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集圖像、流量和壓力??數(shù)據(jù)�；趫D２．１氣液兩相流實驗回路可開展矩形通道內(nèi)氣液兩相彈狀流特性的實驗研??宄。??實驗回路可動部分安放在搖擺臺架上，搖擺臺為２．６ｍｘ３．６ｍ的矩形平臺，采用兩個??液壓缸驅(qū)動，可繞搖擺軸做周期性運動，也可在任意角度停止，見圖２．２（ａ）。初始時搖??擺平臺與地平面平齊，搖擺臺支撐結(jié)構(gòu)及液壓缸均布置在地面以下。豎直靜止實驗時，??通過定位鍵將搖擺臺固定在水平位置；傾斜實驗時，調(diào)節(jié)搖擺臺運動到某一設(shè)定角度后，??用安全閥將搖擺臺固定。實驗中選取四個傾斜角度（與豎直方向夾角）進行研究，分別??為０°、１０°、２０°和３０°。高速攝像儀安裝在搖擺臺帶導(dǎo)軌的支架上，且垂直于實驗段寬??面，見圖２．２（ｂ）。??臺面搖擺運動?１?＼??二＾一．．角度傳感器?：????．．．．．—?－（１？?—??＾?．．．．．?ｉ?—?—＿????：???＿．．．．．＿?—（?＾＊???ｖ?個．．．．．．．７ｐ＇＾＇ｖ?５廠?Ａ?ｖ??雛軸．．?／’?§??＞?〇Ｔ?ｋＭ?１?：ｆ?＂Ｔ??（ａ）液壓搖擺臺示意圖?（ｂ）高速攝像儀??圖２．２液壓搖擺臺和高速攝像儀??Ｆｉｇ．?２．２?Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ?ｒｏｌｌｉｎｇ?ｐｌａｔｆｏｎｎ?ａｎｄ?ｈｉｇｈ?ｓｐｅｅｄ?ｖｉｄｅｏ?ｃａｍｅｒａ??２．１．２矩形通道實驗段??實驗段為有機玻璃矩形通道

圖２．３氣彈界面橢圓離心率及其測量方法??Ｆｉｇ．?２．３?Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｌｌｉｐｓｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｌｕｇ?ｂｕｂｂｌｅ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．??圖２．４給出了氣彈界面橢圓離心率ｅ隨通道窄邊尺寸ｓ的變化趨勢。由圖可見，氣??彈頭部和尾部界面橢圓離心率相等。除通道Ｉ外，頭部界面橢圓離心率大于氣彈中部；??隨通道窄邊尺寸增大，頭部與中部界面橢圓離心率偏差增大。但氣彈頭部、中部和尾部??界面橢圓離心率隨通道窄邊尺寸變化趨勢相同。當(dāng)■ｙｄ．Ｓｍｍ時，通道尺寸效應(yīng)明顯，界??面橢圓離心率隨窄邊尺寸的增大而快速增加。當(dāng)０３．５ｍｍ時，界面橢圓離心率隨通道窄??邊尺寸增長變緩趨于穩(wěn)定，窄邊尺寸對氣彈界面橢圓形狀影響較小�？梢�，將通道Ｉ、??ＩＩ和ＩＩＩ劃分為窄通道，通道］Ｖ劃分為過度通道，通道Ｖ劃分為常規(guī)通道較為合理。??１．０?｜?，?，?．?，?，?，?，?１?，?，???．０．９－?－??Ｓ?？?／

本文編號：2872417