竖直圆管内气液两相混合过程的仿真分析

摘要

竖直圆管内的气液两相流动广泛存在于动力工程、核能和航天等诸多工业领域中，目前使用的气泡雾化装置气液混合室通常为圆管结构，气相和液相分别由不同进口进入混合室混合，在气孔处形成连续的注入气泡，随工况的不同逐渐形成泡状流、弹状流和环状流等流型，两相流体经由喷孔喷出实现雾化。气泡雾化装置混合室内的气泡生成、流型形成及转变对气泡雾化装置的雾化效果有重要影响，为了探寻圆管型混合室内气液两相流动的特点，本文应用FLUENT仿真软件对竖直圆管内的气液两相混合过程进行了仿真研究。
　　根据圆管型混合室的结构特点及气泡雾化装置的运行工况范围建立了仿真计算模型。完成了网格的划分并确定了初始条件及边界条件，利用仿真模型与文献中的实验结果进行了对比，验证了模型的可靠性。
　　本文首先基于圆管型混合室内气液两相混合时充气孔处气泡生成的特点，对竖直圆管内的气泡生成过程进行了数值模拟。分析了气泡生成过程的形态变化特点以及流场变化规律，研究了圆管结构尺寸、气液两相流速、静接触角以及液相物性参数等对气泡生成时间以及气泡脱离体积的影响，得到了气泡生成的变化规律特点。
　　其次，对竖直圆管内气液两相流型及流型转变进行了研究，分析了气液两相质量流量，圆管内径等对流型形成的影响，研究了液相粘度，液相密度以及表面张力等对流型转变的影响。研究结果表明，在圆管结构尺寸一定的条件下，气液两相质量流量是影响管内流型的主要因素;在小管径条件下，泡状流和搅混流均难以形成;液相物性参数对流型转变的影响程度随着管径的增大而有所减弱。
　　最后，对不同流型下气液两相流动参数的脉动规律进行了分析。研究了不同流型下进出口截面处截面含气率的时变特点，并对不同流型下流动参数的脉动强度进行了分析。结果表明，不同流型下截面含气率随时间的变化特点差异明显;泡状流型及环状流型下的气液两相流动参数的脉动强度较其它流型要小。
　　论文的研究结果可以为气泡雾化装置混合室的结构设计及工况选择提供依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 气泡生成过程的研究现状

1．2．2 气液两相流流型形成的研究现状

1．2．3 气液两相流流型转变的研究现状

1．3 研究内容及研究目标

2 气液两相混合过程仿真模型的建立

2．1 气液两相混合过程的几何模型

2．2 VOF方法及基本控制方程

2．3 湍流模型和界面处理模型

2．3．1 湍流模型

2．3．2 界面处理模型

2．4 数值计算方法和定解条件

2．5 模型的验证

2．6 本章小结

3 竖直圆管内充气孔处气泡生成的研究

3．1 充气孔处气泡生成过程分析

3．1．1 气泡生成过程的形态变化历程

3．1．2 气泡生成过程的流场变化

3．2 气泡生成的影响因素分析

3．2．1 圆管尺寸对气泡生成时间及体积的影响分析

3．2．2 两相流速对气泡生成时间及体积的影响分析

3．2．3 静接触角对气泡生成时问及体积的影响分析

3．2．4 液相物性参数对气泡生成时问及体积的影响分析

3．3 本章小结

4 竖直圆管内气液两相流型形成及转变的研究

4．1 典型的气液两相流型及其判别方法

4．2 流型图绘制的方法

4．3 气液两相流流型的研究

4．3．1 气液两相质量流量对竖直圆管内流型的影响

4．3．2 圆管内径对竖直圆管内流型的影响

4．4 气液两相流型的转变研究

4．4．1 气液两相流型转变的机理

4．4．2 液相粘度对气液两相流流型转变的影响

4．4．3 表面张力对气液两相流流型转变的影响

4．4．4 液相密度对气液两相流流型转变的影响

4．5 本章小结

5 不同流型气液两相流动参数脉动特性的研究

5．1 气液两相流动的基本参数

5．2 竖直圆管内不同截面处含气率的时变规律

5．3 流动参数脉动强度的变化规律

5．3．1 截面含气率的脉动强度

5．3．2 面积质量流速的脉动强度

5．4 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

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