本文關(guān)鍵詞：氣液兩相流振蕩流動(dòng)與傳熱特性研究

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【摘要】：氣液兩相流的振蕩流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象關(guān)系到國防和車輛工程等領(lǐng)域的工程問題,也是流體傳熱傳質(zhì)的經(jīng)典問題之一,具有重要的理論意義和工程應(yīng)用背景。兩相流的振蕩流動(dòng)過程是一個(gè)多維、多相、非定常的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)過程,同時(shí)由于振蕩兩相流的對(duì)流換熱系數(shù)高,還能強(qiáng)化換熱。為了加深對(duì)兩相流振蕩流動(dòng)與傳熱特性的了解,揭示其振蕩傳熱機(jī)理,作者開展了針對(duì)兩相流振蕩流動(dòng)與傳熱過程的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算模型研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:分別采用RNG k-ε、Realizable k-ε和SST k-ω湍流模型對(duì)圓柱空腔內(nèi)兩相流振蕩流動(dòng)與傳熱過程以及活塞冷卻油腔中機(jī)油的振蕩冷卻過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究了兩相流在各個(gè)關(guān)鍵位置處的流動(dòng)形態(tài)、壁面換熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律以及壁面換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)SST k-ω模型的計(jì)算精度最高,但是隨著雷諾數(shù)的上升計(jì)算精度會(huì)下降。針對(duì)兩相流振蕩流動(dòng)與傳熱過程的多相流模型進(jìn)行了研究,在VOF模型的基礎(chǔ)上引入Level Set函數(shù)形成CLSVOF耦合模型,通過研究發(fā)現(xiàn):C LSVOF模型能夠有效模擬出兩相流的瞬態(tài)分布狀況和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,換熱系數(shù)計(jì)算值的誤差增幅穩(wěn)定在0.6%左右,可見CLSVOF模型的計(jì)算準(zhǔn)確度要明顯高于VOF模型。設(shè)計(jì)并搭建了能同時(shí)進(jìn)行振蕩流動(dòng)可視化觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的振蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研制了運(yùn)動(dòng)件加熱裝置和實(shí)驗(yàn)件。通過振蕩流動(dòng)可視化觀測(cè)實(shí)驗(yàn),獲得了雷諾數(shù)和填充率對(duì)兩相流振蕩流動(dòng)形態(tài)的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)主要影響兩相流中氣泡的狀態(tài)和湍流強(qiáng)度,而填充率主要影響兩相流的流動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn),獲得了空腔壁面溫度、壁面循環(huán)平均換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)和填充率的變化規(guī)律,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到矩形空腔振蕩傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,該關(guān)聯(lián)式考慮了速度、填充率以及流體物性參數(shù)對(duì)振蕩傳熱的影響,預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。將數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合,對(duì)氣液兩相流振蕩流動(dòng)與傳熱的機(jī)理進(jìn)行了分析研究,發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)的增大會(huì)導(dǎo)致渦量場(chǎng)的變化,在氣液兩相的分界面兩側(cè),兩相的速度梯度相反且大小非常接近,梯度變化不大;隨著雷諾數(shù)的增大,液體含氣率上升,而氣泡尺度卻逐漸下降,流場(chǎng)的湍流脈動(dòng)增強(qiáng),說明雷諾數(shù)是影響流場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與否的根本因素。在本文研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi),兩相流振蕩強(qiáng)化換熱的效果主要取決于液體填充率,而雷諾數(shù)的大小主要影響流場(chǎng)的穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O359.1
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本文編號(hào)：1243337