摇摆状态下气水两相流流型及阻力特性研究

摘要

两相流动广泛存在于一些动力装置的换热器中，而对于在海洋条件下运行的动力设备，受海浪的作用会产生倾斜、起伏和摇摆，使设备以及连接管路的方位发生变化，这样必然会对系统的稳定运行产生很大的影响。为此，本文以空气和水为实验工质，在常温和常压下，对摇摆状态下水平和竖直管内的气液两相流流型及压降特性进行实验研究及理论分析。
　　 在进行两相流实验之前，首先以水为工质，对摇摆状态下水平和竖直管内单相流动特性进行了实验研究。通过改变管径、雷诺数、摇摆幅值和摇摆周期，分析了这些因素对摇摆状态下的单相摩擦系数的影响。实验结果表明，不同于非摇摆条件下管内流动，摇摆状态下的单相摩擦系数呈现周期性的变化，其变化周期等于摇摆周期，其波动幅值与雷诺数、管径和摇摆幅值有关。在上述基础上，通过量纲分析，引入反映摇摆影响的无量纲量—摇摆雷诺数，用多元回归的方法得出了适合于摇摆条件下单相水摩擦系数的实验关系式。
　　 对摇摆状态下水平布置的有机玻璃管内气液两相流动进行了实验和理论研究。通过可视观察和压差波动特征的分析，给出了摇摆状态下水平管内两相流型的种类及其特征。通过与非摇摆条件下实验数据对比，表明摇摆对水平管内两相流动的影响很大：在低液流量区，一个完整的摇摆周期内存在两种流动特征(分层流和间歇流)，占据流型图的大部分区域；在高液相或气相区，由于惯性作用增强，摇摆的影响减弱，出现类似于非摇摆时的泡状流、间歇流和环状流。通过对摇摆状态下气泡受力分析和引入有效重力加速度，在非摇摆状态下流型转换模型的基础上，建立了适合摇摆状态的分散泡状流向不稳定流型或间歇流和环状流向间歇流/分层流转换边界关系式，并将其与本文的实验数据及Barnea和Kokal模型进行了比较，发现新建立的模型对实验结果的预测比Barnea和Kokal模型效果更好。在此基础上，又进一步地分析了摇摆周期和摇摆幅值对流型转换边界的影响。
　　 对摇摆状态下竖直管内两相流动进行可视化研究，实验结果表明：摇摆状态下流型分类与非摇摆条件下的类似，主要有泡状流、弹状流、搅混流和环状流四种流型。在充分考虑摇摆状态下流型的特征，运用两相流动分析，对泡状流向弹状流转变，弹状流向搅混流转变及搅混流向环状流转变进行了深入分析，给出了预测摇摆状态下竖直管内气液两相流型的转换模型，其结果与实验数据符合的较好。绘制了以气相和液相折算流速为横纵坐标的流型图，重点分析了管径、摇摆周期、摇摆幅值对流型转变的影响。同时为了便于比较摇摆对流动的影响，进行了非摇摆状态下竖直管内两相流实验，分析了两种状态下流型转换边界的差异。
　　 最后，分析研究了摇摆状态下水平和竖直管内环状流的摩擦压降，结果表明Chisholm模型不适合直接用来预测摇摆状态环状流摩擦压降。通过考虑摇摆等因素对气液界面的影响，对参数C进行修正，提出了适合于实验范围的环状流摩擦压降的计算关系式。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状和发展动态

1.2.1 气液两相流流型的分类

1.2.2 流型图

1.2.3 两相流型转判别准则

1.2.4 压降特性研究

1.3 本论文的主要工作

第2章 实验装置与实验方法

2.1 实验装置

2.1.1 实验回路

2.1.2 摇摆台及摇摆规律

2.1.3 实验段

2.2 实验参数的测量

2.3 实验误差分析

2.4 实验内容与方法

2.4.1 单相流动阻力特性实验

2.4.2 气液两相流动特性实验

2.5 实验参数范围

2.6 本章小结

第3章 摇摆状态下单相水摩擦压降计算

3.1 摇摆状态下单相水摩擦压降关系式推导

3.1.1 摇摆状态下水平实验段摩擦系数计算

3.1.2 摇摆状态下竖直实验段摩擦系数计算

3.2 单相水摩擦系数的实验结果分析

3.2.1雷诺数对λroll的影响

3.2.2 管径对λroll的影响

3.2.3 摇摆周期对λroll的影响

3.2.4摇摆幅值θmax对λroll的影响

3.3 摇摆状态下平均摩擦系数-λrall与Re的关系

3.4 定义摇摆雷诺数

3.5摇摆状态下单相水的摩擦系数推导

3.6 本章小结

第4章 摇摆状态下水平管内气液两相流型研究

4.1 摇摆状态下水平管内气液两相流的流型

4.1.1 不稳定流型(unstable flow pattern)

4.1.2 间歇流(Intermittent flow)

4.1.3 环状流(Annular flow)

4.1.4 泡状流(bubble flow)

4.2 摇摆状态下气液两相流型的压差波动特征

4.2.1 不稳定流型

4.2.2 泡状流

4.2.3 环状流

4.3 流型图

4.3.1 非摇摆条件下水平和倾斜管内气液两相流的流型图

4.3.2 摇摆状态下水平管内气液两相流的流型图

4.4 摇摆状态下水平管内气液两相流型转换的理论研究

4.4.1 泡状流向不稳定流型或间歇流转换

4.4.2 环状流向间歇流/分层流或间歇流的转换

4.4.3流型转换准则和实验数据比较

4.5摇摆参数对流型转换的影响分析

4.5.1摇摆周期T对泡状流和环状流型转换边界的影响

4.5.2摇摆幅度θmax对泡状流和环状流型转换边界的影响

4.6 本章小结

第5章 摇摆状态下竖直管内气液两相流型研究

5.1摇摆状态下竖直上升管内两相流型的分类

5.2 分散泡状流向弹状流转换机理及过渡准则

5.2.1 摇摆状态下竖直管内运动的气泡受力分析

5.2.2 摇摆状态下竖直管气泡所受总浮力∑FB

5.2.3 摇摆状态下竖直管气泡所受紊流扰动力-FL

5.2.4 模型改进

5.3 弹状流向搅混流转换机理及过渡准则

5.3.1 摇摆状态下Taylor气泡的上升速度

5.3.2 弹状流向搅混流转变

5.4 环状流向搅混流转换机理及过渡准则

5.5 流型图

5.5.1 摇摆状态下竖直上升管内气液两相流的流型图

5.5.2 摇摆状态的实验数据与Taitel模型比较

5.5.3摇摆与非摇摆状态下两相流流型分布比较

5.6 参数对流型分布的影响

5.6.1 管径对流型转换边界的影响

5.6.2 摇摆周期对流型转换边界的影响

5.6.3 摇摆幅值对流型转换边界的影响

5.7 本章小结

第6章 摇摆状态下环状流摩擦压降研究

6.1 摇摆状态下水平管内气液两相流摩擦压降

6.1.1 水平管内环状流摩擦压降计算

6.1.2 水平管内环状流动态压降特征

6.2 摇摆状态下竖直管内气液两相流动压降分析

6.2.1 竖直管内环状流压降计算

6.2.2 竖直管内环状流动态压降特征

6.3 影响摇摆状态下环状流摩擦压降的因素分析

6.3.1 气相和液相折算流速对环状流摩擦压降的影响

6.4 摇摆状态下环状流摩擦压降经验公式

6.5 本章小结

结论和展望

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