摇摆对竖直管内气液两相流型的影响

论文摘要

当不同组分的两相通过管道时，会形成多种具有不同流动特性的流型。流型的改变除了受设备中管道的结构、布置方式以及加热状态等影响外，还与设备是否处于静止环境中有关。因此，本论文的主要目的就是借助于实验和理论分析来研究摇摆对竖直管内气—液两相流型变化的影响。实验研究主要是在常温常压下的摇摆台架上进行，试验段为透明的有机玻璃管，空气和水作为流动工质同向通过试验段形成不同形状的流型。实验中观察到，摇摆使得试验段内的流型呈现周期变化的特征。借助压差波动的时域特征及可视化观察的方法，本文确定了泡状流和环状流的产生点；利用分相流模型，通过定性分析确定管内压降变化的转折点即为弹状流向搅混流转变的产生点。通过对实验数据的分析发现，管径、摇摆周期和摇摆角度对流型存在的区域有明显影响；在不同的流型下，平均截面含气率随着管径、质量流速、摇摆角度和摇摆周期的改变而发生变化。在实验研究的基础上，本文给出摇摆状态下泡状流、弹状流、搅混流平均空泡份额计算式。另外，根据混合相-单相并流模型，对摇摆状态下环状流平均空泡份额的计算值与实验值进行对比，发现该模型能够很好地预测摇摆状态下环状流平均空泡份额。通过对单相水在摇摆状态下的运动分析，在结合雷诺数、摇摆角度和摇摆周期对单相摩阻系数变化影响的基础上，本文提出了一个新的摇摆条件下单相水流经光滑管的摩阻系数半经验关系式。在此基础上，结合不同的流型特征，分别给出弹状流、泡状流和环状流的摩阻压降计算式，并与实验值进行了对比，计算值与实验值符合较好。在充分考虑摇摆附加惯性力的影响的条件下，本文对摇摆状态下气液两相流型之间的转变机理展开分析，首次提出了摇摆状态下弹状流向泡状流、弹状流向搅混流以及搅混流向环状流的转变准则关系式，并对预测计算值和实验值进行了对比，结果符合较好。考虑到强制循环下，气液两相流速基本不受摇摆条件的影响，因此，本文依然采用气相和液相折算流速作为摇摆状态下气液两相流型图的横坐标和纵坐标，绘出摇摆状态下的气液两相流型图，为工程应用提供一定的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源与意义
• 1.2 国内外研究状况和发展动态
• 1.2.1 两相流流型的分类定义及流型图
• 1.2.2 两相流流型的转变机理
• 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
• 2.2 摇摆台
• 2.3 实验测量与记录
• 2.4 实验过程与方法
• 2.4.1 实验过程
• 2.4.2 实验方法
• 2.5 空泡份额的测量
• 2.6 实验中需要注意的问题
• 2.7 误差分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 摇摆状态下流型转变的实验研究
• 3.1 流型的分类和定义
• 3.1.1 流型的分类和定义
• 3.1.2 稳定流型间的过渡流型
• 3.2 流型转变点的确定
• 3.2.1 弹状流向泡状流转变起始点的确定
• 3.2.2 弹状流向搅混流转变起始点的确定
• 3.2.3 搅混流向环状流转变起始点的确定
• 3.3 主要参数对流型转变界限的影响
• 3.3.1 管径对流型转变界限的影响
• 3.3.2 摇摆周期对流型转变界限的影响
• 3.3.3 摇摆角度对流型转变界限的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 摇摆状态下单相与两相摩阻压降计算
• 4.1 摇摆状态下单相水运动分析
• 4.2 单相水摩阻系数的实验结果分析
• 4.2.1 雷诺数对λ的影响
• 4.2.2 管径对λ的影响
• 4.2.3 摇摆周期和摇摆角度对λ的影响
• 4.3 单相水摩阻系数实验值与传统经验值的对比
• 4.4 摇摆状态下单相水摩阻系数λ动态模型
• 4.4.1 量纲分析法
• 4.4.2 单相摩阻系数关系式
• 4.5 摇摆状态下泡状流摩阻压降
• 4.5.1 泡状流摩阻压降实验值表达式
• 4.5.2 泡状流摩阻压降实验值表达式
• 4.5.3 摇摆状态下泡状流摩阻压降计算
• 4.6 摇摆状态下弹状流的摩阻压降计算关系式
• 4.6.1 弹状流单元物理模型
• 4.6.2 弹状流压降计算
• 4.7 环状流摩阻压降计算
• 4.7.1 环状流摩阻压降实验数据表达式
• 4.7.2 环状流摩阻压降计算关系式
• 4.8 本章小结
• 第5章 空泡份额计算
• 5.1 摇摆状态下两相流平均截面含气率变化规律
• 5.1.1 质量流速的影响
• 5.1.2 管径的影响
• 5.1.3 摇摆角度的影响
• 5.1.4 摇摆周期的影响
• 5.2 摇摆状态下平均截面含气率模型
• 5.2.1 泡状流
• 5.2.2 弹状流
• 5.2.3 搅混流
• 5.2.4 环状流
• 5.3 本章小结
• 第6章 摇摆状态下流型转变的机理分析
• 6.1 摇摆状态下的流型转变准则
• 6.1.1 泡状流向弹状流的转变分析
• 6.1.2 弹状流向搅混流的转变分析
• 6.1.3 搅混流向环状流的转变分
• 6.2 流型图的建立
• 6.2.1 摇摆流型图坐标的选取
• 6.2.2 摇摆状态下竖直管内气液两相流型图
• 6.3 本章小结
• 结论
• 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