摇摆对水平管内气水两相流影响的研究

摘要

本文主要通过实验研究和理论分析，对管径分别为34.5mm和25mm水平布置的透明有机玻璃管内气-水两相流在摇摆状态下的流型、截面含气率以及摩擦压降进行了研究。
　　 实验在一个可以自由调节摇摆周期和摇摆角度的摇摆台上进行。通过对管内流型特性的分析，参考非摇摆状态下水平管内几种典型流型的分类，本文给出了摇摆状态下水平管内气-水两相流的流型。实验结果表明，摇摆改变了以往水平管在稳定状态下的流型结构，在一些情况下，摇摆引起管道倾斜导致管内出现两种不同的流动型式交替出现的复杂流型。根据各流型压差波动的时域特性，本文提出了利用压差波动特性判断摇摆状态下水平管内流型的方法。通过分析管径、摇摆周期和摇摆角度等参数对各流型的影响，并结合实验数据，绘出了分别以气相和液相折算流速为横、纵坐标的流型图，为一些基于摇摆条件下的工程应用提供一定的参考。
　　 流型的不稳定，摇摆产生的附加力和重力对两相流体的作用随时间的变化都是摇摆状态下平均截面含气率复杂变化的主要原因。在实验研究的基础上，本文给出了泡状流和环状流平均截面含气率的计算式，经过与实验值的对比，本文提出的平均截面含气率计算式能很好地反映出摇摆状态下水平管平均截面含气率的变化。在不同的流型下，平均截面含气率随流体的质量流量和管路所处位置的改变而发生变化。
　　 通过对摇摆状态下单相水的受力分析，充分考虑了管径、摇摆角度、摇摆周期以及雷诺数等因素的影响，本文提出了单相水摩擦系数的计算式。新提出的计算式能很好地反映出在摇摆这一特定条件下，单相水摩擦系数与时间的关系呈现出近似正弦曲线的周期性变化的特点。以单相水摩擦系数计算式为基础，分别利用均相流模型和分相流模型给出了泡状流和环状流摩擦压降的计算式。研究结果表明，本文提出的摇摆状态下泡状流和环状流摩擦压降的计算值与实验值符合较好。
　　 本文的研究成果可为今后依据流型建立动态条件下两相流动计算的数学物理模型，进行精确计算两相流动和传热提供一定的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 课题的来源与意义

1.2 国内外研究及发展现状

1.2.1 水平管及倾斜管的流型研究

1.2.2 流型图的研究

1.2.3 流型转换界限理论模型的研究

1.2.4 流型在线识别的研究

1.3 论文的主要工作

第2章 实验装置和实验方法

2.1 实验装置

2.1.1 实验装置简介

2.1.2 试验仪表

2.2 实验方法

2.2.1 实验步骤

2.2.2 实验参数的测量

2.2.3 实验中的注意事项

2.3 误差分析

2.3.1 流体压力的测量

2.3.2 水流量的测量

2.3.3 气体流量的测量

2.4 本章小结

第3章 摇摆状态下的流型及判定方法

3.1 流动型式

3.1.1 分层流-逆向分层流

3.1.2 间歇流

3.1.3 分层流-间歇流

3.1.4 分层流-准弹流

3.1.5 准弹流

3.1.6 泡状流

3.1.7 环状流

3.2 流型的判定方法

3.2.1 泡状流

3.2.2 间歇流

3.2.3 分层流-间歇流

3.2.4分层流-准弹流

3.2.5 环状流

3.2.6 分层流-逆向分层流

3.2.7 准弹流

3.2.8 泡状流-塞状流

3.3 流型图

3.3.1 25mm管径流型图

3.3.2 34.5mm管径流型图

3.4 流型的影响因素

3.4.1 摇摆周期对流型的影响

3.4.2 摇摆角度对流型的影响

3.4.3 管径对流型的影响

3.5 本章小结

第4章 摇摆对截面含气率的影响研究

4.1 摇摆对水平管截面含气率的影响

4.1.1 摇摆对平均截面含气率的影响

4.1.2 质量流量对截面含气率的影响

4.1.3 管路的位置变化对截面含气率的影响

4.2 摇摆状态下平均截面含气率的计算

4.2.1 泡状流截面含气率的计算

4.2.2 环状流截面含气率的计算

4.3 本章小结

第5章 摇摆对摩擦压降的影响

5.1 摇摆状态下单相水的摩擦压降

5.1.1 摇摆状态下单相水受力分析

5.1.2 实验条件下单相水摩擦压降的计算

5.2 单相水摩擦系数的计算

5.3 摇摆状态下单相水摩擦系数的影响因素

5.3.1 Re对摩擦系数的影响

5.3.2 摇摆周期对摩擦系数的影响

5.3.3 最大摇摆角度对摩擦系数的影响

5.3.4 管径对摩擦系数的影响

5.4 摇摆状态下单相水摩擦系数的计算

5.5 摇摆状态下泡状流摩擦压降的计算

5.5.1 泡状流摩擦压降实验值的计算

5.5.2 泡状流摩擦压降理论值的计算

5.6 摇摆状态下环状流摩擦压降的计算

5.6.1 环状流摩擦压降实验值的计算

5.6.2 环状流摩擦压降理论值的计算

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文工作总结

6.2 主要创新点

6.3 建议与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢