搖擺運動作為船舶在海洋環(huán)境中典型的運動形式,對動力系統(tǒng)中熱工水力特性會產(chǎn)生重要影響,因此搖擺條件下單相及兩相流動研究得到了越來越廣泛的關(guān)注。然而搖擺條件下兩相流動過程中局部界面特性的研究罕見報道。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)過程也會受到搖擺運動的影響。因此,開展搖擺條件下兩相流動界面輸運特性實驗,深入研究搖擺運動對兩相流動局部特性的影響,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算奠定基礎(chǔ)。以實驗手段為主,對靜止(非搖擺)及搖擺條件下氣液兩相泡狀流中局部界面輸運特性展開研究。實驗在常溫常壓下進(jìn)行,工質(zhì)為空氣和自來水。實驗段采用透明有機(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)的實驗為主。實驗段豎直固定在搖擺臺架上,通過搖擺臺控制系統(tǒng),可實現(xiàn)實驗段的豎直和傾斜狀態(tài)及搖擺運動。實驗中,自研四傳感器光學(xué)探針,并用于測量局部時均空泡份額、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數(shù)據(jù)處理方法,并針對靜止及搖擺條件下探針信號數(shù)據(jù)編制了相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)處理軟件。運用光學(xué)探針測量方法,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)的實驗數(shù)據(jù)庫,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實驗結(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)制主要跟流場及氣泡尺寸形狀有關(guān),具體可以通過氣泡徑向受力理論進(jìn)行分析解釋。在傾斜靜止兩相流動中,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,對應(yīng)峰值越高,同時峰出現(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)位置點越靠近壁面。搖擺條件下兩相流動實驗結(jié)果表明,在搖擺周期或幅度較小時,局部空泡份額隨搖擺運動的分布峰可能出現(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,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。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;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。此外,在搖擺運動的水平平衡位置時,徑向空泡份額分布變化要滯后于搖擺運動。在理論研究方面,主要對兩流體模型中界面面積輸運模型(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,開展靜止條件下氣液兩相流動的數(shù)值模擬,并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)庫,對不同的界面力模型進(jìn)行評估驗證。此外,還嘗試對搖擺條件下氣液兩相流動進(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局部空泡份額及其分布的預(yù)測結(jié)果與實驗值符合較好,因此推薦用于兩相流動局部界面參數(shù)及其分布的模擬計算中。在界面輸運模型評價中,Ishii-Kim(2001)模型對軸向IAC變化的預(yù)測結(jié)果與實驗值符合最好,誤差基本在±10%以內(nèi)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL334
【部分圖文】：

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

可將搖擺臺面停在指定的角度上，從而產(chǎn)生不同的傾斜位置。實驗中規(guī)定搖擺臺面與地面齊平的位置點為搖擺臺的平衡位置，即傾角為 0°。搖擺臺架使用液壓系統(tǒng)驅(qū)動控制，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)境中簡諧搖擺運動，運動規(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分別為搖擺運動角速度和搖擺圓頻率，單位 rad/s；β為搖擺運動角加速度，單位 rad/s2；T 和t 分別為搖擺周期和搖擺時間，單位 s。此處需指出，在表達(dá)式計算中，角度單位采用國際單位 rad，而在圖文表述中使用單位°。

對應(yīng)于搖擺運動參數(shù)的不同狀態(tài)見圖 2.2(b)。測量裝置兩相流動局部特性影響中，必須將瞬態(tài)局部界于現(xiàn)有實驗系統(tǒng)中，搖擺角度和實驗參數(shù)由兩很難做到搖擺角度與其他實驗數(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上；裝滿水的容器置于搖擺擺臺處于平衡位置時，事先調(diào)整光纖探頭正擺角度時，探頭完全浸沒在水中，而在負(fù)角不同電平信號，很容易確定出搖擺臺處于平衡刻所對應(yīng)的搖擺角度。實驗中，單光纖探針信同一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時采集存儲，從而實現(xiàn)測。
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本文編號：2882856