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原文传递摇摆条件下大圆管内气液两相流动界面输运特性

论文题名：	摇摆条件下大圆管内气液两相流动界面输运特性
关键词：	摇摆运动;大圆管内;气液两相流;界面输运;传热传质
摘要：	摇摆运动作为船舶在海洋环境中典型的运动形式，对动力系统中热工水力特性会产生重要影响，因此摇摆条件下单相及两相流动研究得到了越来越广泛的关注。然而摇摆条件下两相流动过程中局部界面特性的研究罕见报道。与非摇摆情况下相比，摇摆条件下的两相界面结构及其变化可能存在很大的不同。另一方面，界面上的传热传质过程也会受到摇摆运动的影响。因此，开展摇摆条件下两相流动界面输运特性实验，深入研究摇摆运动对两相流动局部特性的影响，可为完善两流体模型并使其能够应用于海洋条件下两相流计算奠定基础。　　以实验手段为主，对静止（非摇摆）及摇摆条件下气液两相泡状流中局部界面输运特性展开研究。实验在常温常压下进行，工质为空气和自来水。实验段采用透明有机玻璃圆管，内径分别为50.8mm和101.6mm，其中以101.6mm大圆管内的实验为主。实验段竖直固定在摇摆台架上，通过摇摆台控制系统，可实现实验段的竖直和倾斜状态及摇摆运动。实验中，自研四传感器光学探针，并用于测量局部时均空泡份额、界面面积浓度(IAC)、Sauter平均直径、界面速度和气泡频率等界面参数。提出了摇摆条件下探针信号数据处理方法，并针对静止及摇摆条件下探针信号数据编制了相应的实验数据处理软件。运用光学探针测量方法，大量获取了静止及摇摆条件下局部界面参数，建立了相应的实验数据库，为改进完善两流体模型提供数据支持。　　竖直静止条件下两相流动实验结果表明，大通道和常规通道内相分布类型均可归纳为壁峰型、平直型和核峰型三种。随气流量增大，相分布类型基本由壁峰型向核峰型转变；随液流量增大，分布类型基本由核峰型向壁峰型转变。相分布类型转换机制主要跟流场及气泡尺寸形状有关，具体可以通过气泡径向受力理论进行分析解释。在倾斜静止两相流动中，随倾斜角度增大，倾斜管上侧近壁区空泡份额分布梯度变大，对应峰值越高，同时峰出现位置越接近壁面；随气流量增加，管上侧空泡份额近壁峰值增大，且峰出现位置点与壁面距离增大；随液流量增加，管上侧空泡份额近壁峰值略有降低，且峰出现位置点越靠近壁面。摇摆条件下两相流动实验结果表明，在摇摆周期或幅度较小时，局部空泡份额随摇摆运动的分布峰可能出现在摇摆幅值位置（最大摇摆角度）之后；而在摇摆周期或幅度较大时，分布峰值可能出现在幅值位置之前。即，随摇摆周期或摇摆幅度增加，分布峰出现位置存在提前的趋势。在相同摇摆条件下，随气相流量增加，分布峰出现位置呈现出提前的趋势；而随液相流量增加，分布峰值出现位置呈现出延后的趋势。此外，在摇摆运动的水平平衡位置时，径向空泡份额分布变化要滞后于摇摆运动。　　在理论研究方面，主要对两流体模型中界面面积输运模型（气泡聚合、破裂模型）和界面力模型等封闭条件进行讨论分析。通过将升力、壁面力和湍流扩散力三种界面力模型添加到CFD软件CFX中，开展静止条件下气液两相流动的数值模拟，并结合实验数据库，对不同的界面力模型进行评估验证。此外，还尝试对摇摆条件下气液两相流动进行仿真模拟。竖直静止大圆管内气液两相流数值模拟结果表明，升力模型Tomiyama(2002)、壁面力模型Tomiyama(1998)和湍流扩散力模型Burns(2004)三种界面力模型组合对局部空泡份额及其分布的预测结果与实验值符合较好，因此推荐用于两相流动局部界面参数及其分布的模拟计算中。在界面输运模型评价中，Ishii-Kim(2001)模型对轴向IAC变化的预测结果与实验值符合最好，误差基本在±10％以内。
作者：	田道贵
专业：	核科学与技术
导师：	阎昌琪
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文