垂直上升管内气液两相流的三维仿真与实验研究

摘要

当流体流过一非流线型物体时，在一定条件下漩涡会形成涡街，两相流涡街的形成与脱落除了与雷诺数有关，还与含气率有很大联系。两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变，另一个基本课题，是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。
　　 随着计算机技术的快速发展，数值仿真也得到了相应的发展，成为分析和解决问题的强有力和用途广泛的工具。作为数值仿真的一个分支，计算流体动力学(CFD)也在最近的几十年时间里获得了长足的发展，广泛的应用于流体及多相流参数的测量，而且具有较高的可靠性和可信度。
　　 在参阅了大量的国内外有关气液两相流、流场实验技术、数值计算技术等相关文件的基础上，选用梯形柱为漩涡发生体，构造了流场的三维结构。
　　 本论文的研究目的在于，在已有的研究成果的基础上，通过采用气液两相流的实验研究和数值仿真相接合的方法，探索流场中气泡、液体两相湍流瞬态结构，产生机理及其相互作用。主要完成了以下工作：
　　 1、从理论上分析了涡街的脱落频率，和影响脱落频率的主要因素。
　　 2、根据经典理论，以雷诺平均N-S方程为控制方程，大涡模型为湍流模型，建立气液两相流的三维流场模型。
　　 3、进行了纯水实验，并将根据实验数据与仿真结果进行比对，仿真结果与实验平均相对误差小于5％，最小误差达到2.4％，表明模型对流场的模拟可信。
　　 4、运用验证后模型，对低含气率下两相流进行仿真，并将仿真结果与实验结果验证，该模型最大相对误差小于8％；平均相对误差小于5％，表明对两相流流场有较好的预测效果。
　　 5、对比单相与两相流仿真结果，研究漩涡发生体后流体横向速度与湍流，发现有气泡时液体的湍流脉动大于无气泡的相应值，说明了气泡加强了液体湍流，且气泡的湍流脉动大于液体的湍流脉动.
　　 6、改进了传统的仿真流程，在残差收敛数量级和运算精度不变的情况下降低了运算时间。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2气液两相流的研究现状

1.2.1气液两相流参数检测方法综述

1.2.2数值仿真概述

1.2.3两相流研究现状

1.3论文的研究内容

1.3.1选择竖直管段进行实验与仿真

1.3.2基于三维结构建模

1.4创新点

第二章 涡街流量计的工作原理与升力分析

2.1涡街流量计的测量原理

2.2发生体上的升力

2.3对于两相流升力的讨论

第三章 数值仿真基础与实验装置

3.1数值仿真基础

3.2建立三维模型

3.2.1建模思想

3.2.2模型的建立

3.2.3网格的选择

3.2.4网格的处理

3.2.5小结

3.3仿真流程

3.3.1仿真思想

3.3.2仿真中几个关键要素

3.3.3仿真流程

3.4实验系统装置

3.4.1实验装置介绍

3.4.2采集系统介绍

3.5小结

第四章 纯水数值仿真与实验验证

4.1仿真设置

4.2仿真结果

4.3实验设置与实验数据

4.3.1实验方法

4.3.2实验数据与比对

4.4小结

第五章两相流的仿真与算法改进

5.1仿真设置

5.1.1湍流模型的选择

5.1.2两相流模型的选择

5.1.3边界条件与控制参数等

5.1.4小结

5.2仿真流程

5.2.1仿真结果

5.3实验设置与实验数据

5.3.1实验方法

5.3.2数据分析与比对

5.4仿真步骤的改进

5.4.1 LES使用的初始化介绍

5.4.2时间步长的分析

5.4.3改进后的运算比对

5.5小结

第六章 气泡对液体流动的影响研究

6.1研究意义及现状

6.2建立两相流仿真

6.3分析仿真结果

6.4小结

第七章 总结与建议

7.1总结：

7.2建议：

参考文献

致谢