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(lái)越廣泛的關(guān)注。然而搖擺條件下兩相流動(dòng)過(guò)程中局部界面特性的研究罕見(jiàn)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(guò)程也會(huì)受到搖擺運(yùn)動(dòng)的影響。因此,開(kāi)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)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(kāi)研究。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行,工質(zhì)為空氣和自來(lái)水。實(shí)驗(yàn)段采用透明有機(jī)玻璃圓管,內(nèi)徑分別為50.8 mm和101.6 mm,其中以101.6 mm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(guò)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(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(kù),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(guò)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,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)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(guò)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(kāi)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(kù),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(2004)三種界面力模型組合對(duì)局部空泡份額及其分布的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合較好,因此推薦用于兩相流動(dòng)局部界面參數(shù)及其分布的模擬計(jì)算中。在界面輸運(yùn)模型評(píng)價(jià)中,Ishii-Kim(2001)模型對(duì)軸向IAC變化的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合最好,誤差基本在±10%以內(nèi)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL334
【部分圖文】：

第 2 章 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)豎直、傾斜的靜止（非搖擺）和搖擺條件下圓管內(nèi)兩相流動(dòng)局特性展開(kāi)了研究。采用完全自主研制的四傳感器光學(xué)探針對(duì)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)局部參數(shù)進(jìn)，所取得的數(shù)據(jù)是進(jìn)一步開(kāi)展豎直、傾斜和搖擺條件下局部界面輸運(yùn)特性研究的由于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)回路的合理性、制定實(shí)驗(yàn)方案的可行性以及數(shù)據(jù)測(cè)量方法的可靠性測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接相關(guān)，同時(shí)還決定了論文研究工作能否順利展開(kāi)并達(dá)目標(biāo)。因此有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置組成、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟及測(cè)量方法等進(jìn)行系統(tǒng)的介明。 實(shí)驗(yàn)裝置豎直、傾斜及搖擺三種狀態(tài)下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究主要在搖擺臺(tái)架上完成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).1 所示，主要包括三個(gè)部分：搖擺臺(tái)架、兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)回路和光學(xué)探針測(cè)量系統(tǒng)

可將搖擺臺(tái)面停在指定的角度上，從而產(chǎn)生不同的傾斜位置。實(shí)驗(yàn)中規(guī)定搖擺臺(tái)面與地面齊平的位置點(diǎn)為搖擺臺(tái)的平衡位置，即傾角為 0°。搖擺臺(tái)架使用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制，可以按照設(shè)定的搖擺周期和幅度近似模擬船舶在海洋環(huán)境中簡(jiǎn)諧搖擺運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)式為：( t)m 0θ = θsin ω(2-1)( t)dtdm 00θωcos ωθω = =(2-2)( t)dtdm 020θωsin ωωβ = =(2-3)Tπω20= (2-4)式中，θ和θm分別為瞬時(shí)搖擺角度和搖擺幅值（最大搖擺角度），單位 rad； ω和ω0分別為搖擺運(yùn)動(dòng)角速度和搖擺圓頻率，單位 rad/s；β為搖擺運(yùn)動(dòng)角加速度，單位 rad/s2；T 和t 分別為搖擺周期和搖擺時(shí)間，單位 s。此處需指出，在表達(dá)式計(jì)算中，角度單位采用國(guó)際單位 rad，而在圖文表述中使用單位°。

對(duì)應(yīng)于搖擺運(yùn)動(dòng)參數(shù)的不同狀態(tài)見(jiàn)圖 2.2(b)。測(cè)量裝置兩相流動(dòng)局部特性影響中，必須將瞬態(tài)局部界于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，搖擺角度和實(shí)驗(yàn)參數(shù)由兩很難做到搖擺角度與其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步采光纖探針指示搖擺平衡位置。指示裝置如圖管固定在搖擺臺(tái)上；裝滿水的容器置于搖擺擺臺(tái)處于平衡位置時(shí)，事先調(diào)整光纖探頭正擺角度時(shí)，探頭完全浸沒(méi)在水中，而在負(fù)角不同電平信號(hào)，很容易確定出搖擺臺(tái)處于平衡刻所對(duì)應(yīng)的搖擺角度。實(shí)驗(yàn)中，單光纖探針信同一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)采集存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)。
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本文編號(hào)：2882856