垂直冷却水管内液固两相流传热与抗垢性能

通过对旋流泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均方程、双方程湍流模型并结合simplec算法对其内部三维固液两相流场和清水单相流场进行了数值计算,得到了固相不同体积浓度、不同流量下的分布规律,并研究了外特性的变化规律。模拟结果表明:固相在叶片工作面分布较多;在叶轮里离后盖板越远,浓度越高;无叶腔分布浓度大于叶轮分布浓度;固相浓度的增加会引起扬程的减小。

辅助高速摄影仪对正方形小通道内氮气-水两相流向上流动进行可视化观察,对流动特性进行了实验研究,获得了典型的流型图像。采用数字图像处理技术对流型图像进行了处理,检测得到气相的周长、面积,并通过提出的假想圆柱体模型计算和统计得到了截面含气率。将压降实验数据分析结果与典型的分相流、均相流压降模型预测值比较,结果表明,chisholm关系式能较好地预测两相流的压降变化,lee&lee关系式和dukler关系式可较好地预测低表观速度时的两相流压降。

以氮气和水为实验介质,利用高速摄像机对水力直径为1.15mm的矩形小通道内的气液两相垂直向上流动特性进行可视化研究,依次得到泡状流、弹状流、搅拌流和环状流4种典型的流型图像。针对小通道内气泡之间相互无遮掩性的优势,运用图像处理技术对流型图像分形增强,检测气泡边缘并填充后根据提出的气相体积模型,得到两相流动的含气率。结合实验数据,根据分液相reynolds数把流动分为层流区、过渡区和紊流区,并对chisholm关系式进行修正,结果表明:修正后的压降模型能较好地预测本文实验结果。

为了研究泥沙颗粒对冲击式水轮机喷嘴内的流动特性,建立了喷嘴射流的三维数学模型。利用流体分析软件fluent,首先对连续相选用标准k??湍流模型进行计算,再选用离散模型进行固液两相流耦合计算。分析在泥沙颗粒和水流的双重作用下,对喷嘴壁面冲蚀磨损影响。分析得出:泥沙颗粒在喷嘴内部流动特性呈现非对称性特性,影响射流的运动特性,进而影响喷嘴各部位的冲蚀磨损程度,喷嘴下部磨损比上部严重。

为了探究混流式水轮机改造前后转轮泥沙磨损情况,采用固液两相流模型对某电站改造前后的混流式水轮机进行全流道数值模拟,分析不同工况下转轮叶片表面泥沙分布,转轮叶片表面固液两相速度差,以及水轮机效率。结果表明:小流量工况下泥沙磨损最严重;水轮机改造后,叶片表面泥沙体积分数下降,固液两相速度差减少,泥沙磨损减弱,水轮机效率较改造前提升了5.5%。该研究可为水轮机改造提供一定的参考。

基于新型水冷球床反应堆,以水和空气为工质,分别在直径为2、5、8mm的玻璃球填充圆管形成多孔介质通道中,对竖直向上气-液两相流动阻力特性进行了实验研究。结果表明,阻力压降随着气液流量的增加而增大,并且与流型存在一定的对应关系;在相同流动条件下,颗粒直径和孔隙率对压降有明显影响。结合实验所得的234组实验点,对两类阻力关系式(分相模型关系式和均相模型关系式)进行了比较和改进。结果表明,基于分相模型的关系式一致性较好,但随着颗粒直径的增加其偏差值增大;现有的基于均相模型关系式预测值与实验值相差较大,而改进的均相模型关系式与实验值吻合较好。

在较宽的实验参数范围内(系统压力p=8～15mpa,质量流速g=800～1800kg·m~(-2)·s~(-1),壁面热流密度q_w=200～950kw·m~(-2))对一立式螺旋管内(管内径为10mm,螺旋直径为300mm,节距为50mm)汽水两相流动沸腾干涸特性进行了实验研究。通过研究,获得了干涸发生时螺旋管圈壁温的分布特征以及压力、质量流速和壁面热流密度这三个参数对临界干度的影响规律。同时在实验数据的基础上,提出了一个适用于计算螺旋管内高压高含汽率工况下汽水两相流临界干度的经验关系式。

采用数值模拟方法研究了幅值分别为3mm、4mm的两种波纹管的湍流传热性能,发现幅值为4mm的波纹管换热效果优于幅值为3mm的波纹管,幅值为4mm的波纹管壁面剪切力更大是致其换热效果较好的直接原因。波纹管壁面剪切力沿轴向周期性变化,喉结处壁面剪切力最大。波纹管纵向涡及流道形状周期性变化是传热获得强化的根本原因。引入壁面剪切力、纵向涡等参数,并与传热性能相关联,为波纹管换热器研发提供借鉴。

针对低渗透油藏孔隙尺度小、采收率低的问题,采用宽度为200μm、深度分别为1.8μm和4.1μm的两个矩形通道,结合数字显微摄像技术和微流体测试技术,对岩层孔隙流动进行了模拟,得到了孔隙通道中单相油以及含油率(体积分数)为10%～60%的油水两相流的流动特性.实验结果表明:对于深度为1.8μm和4.1μm的两个矩形通道,单相油流动的摩擦系数低于理论值,并与雷诺数呈线性关系;泊肃叶数小于理论预测值,通道尺度越小,泊肃叶数实验值与理论值的差异越大.油水两相流流动的摩擦系数与雷诺数也满足线性关系,在不同含油率时有的高于理论值,有的低于理论值;泊肃叶数总体随含油率增加而减小,在含油率为20%与60%时出现跳跃式增长,分析表明泊肃叶数随含油率变化是受壁面亲水性的影响.

利用组合潜污泵系统可以高效地将煤矿水仓和老空突水灾害中的煤水混合物外排,但煤泥浓度及颗粒直径直接影响管路系统的水力特性,并影响排污泵的性能和效果.对不同浓度、不同粒径、不同管路形式的水力特性进行了理论计算,建立了相应的理论模型,计算结果可为煤矿水仓清理及老空突水抢险排水的应用提供依据.

为克服传统取样式多相流量测量方法取样口易堵塞的缺点,提出了通过管壁取样测量气液两相流体流量的新方法.管壁四周均匀布置4个直径为2.5mm的取样孔,并在上游采用旋流叶片将来流整改成液膜厚度均匀分布的环状流型,从而增强了取样的代表性.分析表明,取样流体中的液相质量流量与主流体液相质量流量的比值主要取决于取样孔的数目和大小,而取样流体中的气相质量流量与主流体气相质量流量的比值则与主管路液相流量有关.在管径为0.04m的气液两相流实验回路进行的实验表明,在实验范围内液相取样比为0.049,基本不受主管气液相流量波动的影响,能够在宽广的流动范围内维持恒定.液相流量最大测量误差为6.8%,气相流量最大测量误差为8.9%.

采用雷诺时均n-s方程和rngk-ε湍流模型,使用多相流模型中的混合物模型,通过商用软件fluent,对自吸时旋流自吸泵内气液两相流场作了数值模拟.在对蜗壳流道和叶轮流道进行网格划分时,尺寸扭曲率为0.78.根据模拟结果,将泵内两相流场的静压分布,与单液相时的静压分布作了对比,并比较了叶轮内气相与液相相对速度的分布情况.另外,对含气率的分布情况作了分析.结果表明,自吸时气液两相状态下的静压稍小于单液相状态下的静压;泵内的主要流动是液相通过相间作用夹带气相的流动,液相速度略大于气相速度;靠近泵出口的两个叶道内,有气相的积聚,含气率较高.

气液两相流技术是蒸发冷却电机冷却系统设计的关键问题,本文围绕电机空心导线内气液两相流动的研究展开论述,从经验模型和唯象模型两个角度叙述了近年来微矩形管道内气液两相流动取得的进展及存在的问题,并提出了新的研究方向。介绍了蒸发冷却电机在中国的发展现状和未来展望

利用计算流体动力学技术对用于空调净化领域的高效过滤器(highefficiencyparticulateairfilters,hepa)内的气-固两相流动特性进行数值研究,该高效过滤器由交错排列纤维组成。模拟时,计算不同运行条件下过滤器的压力损失及不同粒径范围过滤器的捕集效率,并将数值计算值和文献中的经验模型计算值进行了比较。结果表明:和其他经验模型比较,过滤器压力损失的数值预测值和实验关联式吻合较好,误差在2%以内,预测结果也表明,随着迎面风速的增加,过滤器压力损失呈线性增加;在过滤器中不同粒径范围的微细颗粒捕集机理也不同,对于本文所研究的过滤器,粒径小于0.2μm时,主要由布朗扩散起作用,粒径大于0.5μm时,惯性碰撞贡献较大,而粒径位于0.2μm～0.5μm之间时,两种机理作用都较弱,因此过滤器的捕集效率在该范围出现最小值。

运用流场计算软件fluent,对轴流泵叶轮内气液两相三维流场进行了数值计算,分析了水气混合工况下的流动参数分布特点。通过对叶轮流道内的静压分布及含气率分布的分析,揭示了气泡在叶轮流道中的分布特征。研究发现,在不改变叶片安装角的情况下,随着流量的增加,冲角发生变化,导致气泡聚积现象从叶片的背面移到叶片工作面。此外,在叶片背面靠近轮毂处和叶片背面的轮缘处易发生气泡的聚积。

利用tsi-1268w热膜探针测量了内径为35mm的水平管内气液两相泡状流的壁面切应力,得到了充分发展段上壁面切应力沿周向的分布数据。测量结果表明,液相中加入气泡后,在管道下部的壁面切应力增大,在含气率较高的管道上部出现了壁面切应力减小的现象。随着气相流速的增加,管道上部的壁面切应力有较小幅度的降低,管道中下部的壁面切应力有较大幅度的增加。

建立了带浮尘源的同侧上送下回侧送风和异侧上送下回侧送风标准房间的物理模型,采用k-ε湍流模型和欧拉拉格朗日两相流模型模拟了不同粒径浮尘在房间内的轨迹,分析了不同送风形式、送风速度下不同粒径颗粒对气相流动的影响。

本实验以氟利昂-113作为工作流体,对竖直方管内向上两相流动的临界热流密度(criticalheatflux,chf)进行了实验研究.实验主要参数的范围为:质量流速650～1800kg/(m2s);进口压力380～550kpa;入口干度,过冷～1.0.重点分析了质量流速,压力,进出口干度对chf值的影响.实验结果表明:chf值随质量流速的增大而增大,随压力的升高有所减小,随进口干度的增加基本呈现线性下降趋势,同时在发生临界热流现象后,出口干度基本保持不变.

以空气和水为工质,对螺旋管内气液两相流动阻力特性进行了实验研究,得到了不同工况条件下螺旋管内阻力数据,分析了质量流量及干度对管内阻力的影响,采用回归分析法建立了螺旋管内摩擦阻力系数关系式,确立了摩擦阻力与相关物理量的函数关系,在此基础上建立了螺旋管内气液两相流动摩擦阻力的计算公式,并用未参加回归分析的实验数据验证了该阻力计算公式。结果表明,螺旋管内气液两相流摩擦阻力随干度的增加呈线性增加,随质量流量的增加呈指数增加,所建立的管内摩擦阻力计算公式的计算值与实验值吻合得较好。

在蒸发温度为5~15℃,工质质量流速变化范围为50~500kg/(m2s),热流密度范围为5~25kw/m2和干度范围为0.01~0.9的条件下,对r134a在卧式螺旋管内沸腾两相流型及壁温特性进行了实验研究。利用可视化技术对流型进行了观察分析,发现在相同工况条件下,卧式螺旋管上升段和下降段的流型有所不同,特别是形成环状流之前存在明显不同的过渡流型,分别为"波环状流型"和"超大气弹流型",因此,对上升段和下降段分别建立了流型图。分别获得了卧式螺旋管沿管长和沿螺旋管横截面圆周方向的壁面温度分布特性。壁面温度沿管长呈逐渐降低的趋势;沿横截面圆周方向,最外侧壁温最低,最内侧壁温最高,两侧温度居中。

在亚临界压力条件下,针对ф28.6mm×5.8mm的优化四头内螺纹管内汽-水两相流进行水平绝热条件下的摩擦阻力特性研究。研究结果表明,干度和系统压力对内螺纹管内的两相流摩擦压降影响显著。干度增大,则两相摩擦倍率增大;压力增大,两相摩擦倍率减小;当压力接近临界压力时,两相摩擦倍率接近于1。优化四头内螺纹管在相同工况下的两相流摩擦压降小于普通内螺纹管。当其应用于垂直管屏换热设备时,压力损失中摩擦压降所占比例将会减小,从而加大重位压降的影响程度,使得换热设备在特定工况下具有自补偿特性,从而形成良好的水动力条件。

准确判断输气管道内气液两相流流型是深入输气管道工程研究与应用的基础。本文分别介绍了垂直上行管段和水平管段两种情况下输气管道内气液两相流的流型的分类方法,分析了影响输气管道内气液两相流流型的主要因素,并研究了目前主要的输气管道气液两相流流型的监测技术,对于输气工程研究与应用具有重要现实意义。