低溫氣液兩相彈狀流流動特性和流場結構的實驗及數(shù)值研究.pdf

1、低溫氣液兩相流是低溫工程中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象,例如低溫管路中的火箭推進劑和液化天然氣輸送,以及高熱流密度的芯片冷卻。低溫輸送管路內(nèi)不可避免的漏熱將形成小氣泡,小氣泡相互碰撞合并進而生成Taylor氣泡。這些 Taylor氣泡導致管路堵塞并將低溫液體擠出管路形成噴發(fā)?；亓鞯牡蜏亓黧w還會導致管路和閥門的結構損壞,并造成火箭發(fā)動機的氣蝕。因此低溫流體中 Taylor氣泡的形成、發(fā)展和合并是低溫工程中的重要問題。在一定漏熱條件下,管路內(nèi)尚未發(fā)生間歇

2、泉時,就會出現(xiàn)彈狀流動,這已經(jīng)對火箭發(fā)動機的安全運行造成極大隱患。因此,準確判斷低溫管路中 Taylor氣泡的形成位置非常重要。Taylor氣泡周圍的流場,尤其是尾跡區(qū)流場是Taylor氣泡合并過程的關鍵因素,兩個連續(xù)的Taylor氣泡之間的相互作用過程取決于領先氣泡的尾跡區(qū)流型。首先,不同的尾跡區(qū)流型(層流、過渡流或湍流)導致不同的合并速率,一些尾跡區(qū)流型甚至會阻止兩個 Taylor氣泡的合并。因此,尾跡區(qū)的流型決定了彈單元中的Tay

3、lor氣泡長度份額,進而影響低溫氣液兩相彈狀流的壓降參數(shù)和空泡份額。其次,Taylor氣泡尾跡區(qū)內(nèi)的湍流強度決定了液彈中彌散氣泡和液體的速度分布,也會影響兩相流動的空泡份額。同時 Taylor氣泡頭部區(qū)域的流場對 Taylor氣泡的上升速度有重要影響。綜上所述,Taylor氣泡周圍流場的研究是低溫氣液兩相彈狀流中的重要課題,對低溫系統(tǒng)的工作效率和安全運行都具有重要的科學意義和實用價值。在低溫管路中,由漏熱產(chǎn)生彌散氣泡到 Taylor氣泡

4、的形成,以及間歇泉的產(chǎn)生,這是一個整體的連續(xù)過程,其中對 Taylor氣泡的形成過程還缺乏統(tǒng)一的判據(jù),而且該過程的研究尚未涉及管路內(nèi)的流動結構對Taylor氣泡形成的影響。對于低溫氣液兩相彈狀流研究,大多數(shù)研究限于宏觀流動特征,如壓降測量和圖像研究。由于低溫氣液兩相流中流場測量的難度較大,關于低溫氣液兩相流中 Taylor氣泡周圍流場的研究國內(nèi)外未見報道,且尚沒有建立針對低溫氣液兩相流中 Taylor氣泡尾跡區(qū)流型的判據(jù)。低溫流體的研究

5、已經(jīng)遠落后于常溫流體。
　　本文以液氮為工質,對低溫管路中由漏熱產(chǎn)生的Taylor氣泡的形成、運動和合并過程進行了實驗和數(shù)值模擬研究。對漏熱形成的低溫氣液兩相流動中 Taylor氣泡的形成位置、長度和速度分布進行了可視化研究。使用PIV流場測量方法對低溫液體中Taylor氣泡周圍流場進行了定量測量,使用POD數(shù)據(jù)分析方法對PIV測量結果進行了進一步分析,探討了流場的湍流大尺度結構對 Taylor氣泡之間相互作用的影響、管路內(nèi)湍流強

6、度對 Taylor氣泡形成的影響,最后對對理想狀態(tài)下,靜止低溫流體中單個 Taylor氣泡的運動特征和周圍流場結構進行了數(shù)值模擬研究。具體如下：
　?、沤⒘诉m用于低溫氣液兩相流動的PIV測速和可視化測量相結合的實驗平臺。針對圓形截面管路中的圖像畸變問題,建立了一種通用的可用于多層管壁情況下的直接校正方法。使用方形規(guī)則化網(wǎng)格進行驗證,最大相對誤差不超過3％。使用Fortran語言編制了通用校正程序。
　?、评蒙鲜鰧嶒炁_結合

7、高速相機在多種傾角下,對多種管路內(nèi)液氮沸騰形成的氣液兩相流動中 Taylor氣泡宏觀特征進行了可視化研究。分析了多種傾角下 Taylor氣泡的合并過程,建立了跟隨氣泡和領先氣泡速度與氣泡間距的關系。已有的由常溫流體得到的速度關系式不適用于液氮流體,普遍高估了本文實驗結果,新建立的關系式和實驗結果吻合較好。得到了Taylor氣泡的形成位置、速度和長度份額分布與管路內(nèi)徑、傾角的關系。
　?、鞘褂盟▽嶒炁_結合PIV實驗手段得到了Tay

8、lor氣泡周圍流場結構。結果分析表明,常溫流體中 Taylor氣泡尾跡區(qū)流型判定方法不再適用于液氮流體,傳統(tǒng)理論認為當無量綱流體逆粘度數(shù)Nf>1500時,Taylor氣泡尾跡區(qū)為湍流。在液氮流體中,當Nf數(shù)遠大于這一臨界值時,液氮流體中的Taylor氣泡尾跡區(qū)仍然為過渡流和層流。
　　⑷使用POD方法對PIV實驗結果進行了進一步的分析,得到了尾跡區(qū)流場中湍流大尺度結構,解釋了可視化實驗中不同傾角下 Taylor氣泡合并過程,得到了

9、改變 Taylor氣泡尾跡區(qū)的湍流大尺度結構可抑制 Taylor氣泡的合并的結論。
　?、稍赑IV實驗和可視化實驗的基礎上,考察了流場湍流強度、熱流密度、管路內(nèi)徑和管路傾角等對 Taylor氣泡形成的影響,提出了無量綱氣相速度vq。在此基礎上,建立了液氮管路中由漏熱形成的Taylor氣泡的生成位置預測公式,公式預測結果與本文和文獻中的實驗結果相比最大誤差在±20%以內(nèi)。
　　⑹使用VOF方法對靜止液氮中,單個Taylor氣泡