氣液兩相繞流旋渦脫落特性的實驗與數(shù)值研究.pdf

1、在動力工程、石油化工、核能利用等領域廣泛存在著氣液兩相流體繞流柱體的流動現(xiàn)象,在一定流動條件下氣液兩相流在柱體后部形成交替脫落的旋渦,并誘發(fā)柱體受到交變力的作用,由此產(chǎn)生的損傷不僅威脅到設備運行的安全,而且會大大縮短工業(yè)設備的使用壽命。為了更深入了解氣液兩相流與柱體相互作用的機理,揭示氣液兩相旋渦的形成和演化特性,給工業(yè)設備的優(yōu)化設計和安全運行提供科學可靠的依據(jù),本文在國家自然科學基金項目(No.50676017)和教育部科學技術研究重

2、點項目(No.206037)資助下,對垂直上升矩形管道內(nèi)氣液兩相流繞圓柱體、旋轉正方形排列管束的旋渦脫落特性進行了實驗研究和數(shù)值模擬。具體內(nèi)容為:
　　 (1)搭建了氣液兩相繞流試驗臺,兩相流介質采用常溫清水和壓縮空氣?？梢栽诖怪鄙仙木匦徒孛鎸嶒灦蝺?nèi)研究細泡狀流繞圓柱和管束流動的各種動態(tài)特性。設計了一個可連續(xù)多角度測量的圓柱表面壓力測量裝置,實現(xiàn)單個傳感器在相同工況下的多點壓力測量,并建立了一套用于測量圓柱表面脈動壓力和旋渦脫

3、落頻率的動態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。為研究錯列管束間氣液兩相流場的旋渦形成和演化特性,建立了一套高速動態(tài)圖像采集與分析系統(tǒng),實驗使用分辨率為768×512像素,拍攝速度為1000fps。
　　 (2)實驗測量了氣液兩相流繞直徑35mm圓柱時不同含氣率和雷諾數(shù)下圓柱表面的脈動壓力、時均壓力分布規(guī)律。實驗結果表明:含氣率對圓柱表面時均壓力系數(shù)和脈動壓力系數(shù)均有較大影響,隨著含氣率增大,時均壓力系數(shù)的最小值逐漸減小,而脈動壓力系數(shù)的峰值逐

4、漸減小,背壓逐漸增大,旋渦脫落位置不斷后移；在本文實驗范圍內(nèi),雷諾數(shù)對脈動壓力、時均壓力影響很小。同時,利用旋渦脫落必然引起圓柱體兩側的壓差變化的原理,測量了動態(tài)壓差波動信號,采用功率譜分析方法得到了旋渦脫落頻率,并分析了含氣率和雷諾數(shù)對功率譜的影響。結果表明:隨含氣率增加旋渦脫落頻率增大,功率譜能量減弱,當含氣率大于0.1時,旋渦交替脫落現(xiàn)象消失。
　　 (3)采用高速動態(tài)圖像處理方法研究了錯列管束間兩相旋渦的演化特性。通過動

5、態(tài)圖像重建了管束間旋渦的生成、卷吸、聚合的演化過程,定性分析了旋渦演化機理,運用圖像相關性比較和統(tǒng)計方法分析了旋渦脫落的周期特征。分析表明:隨節(jié)距比增大,斯特羅哈數(shù)是增大的,而斯特羅哈數(shù)隨含氣率的增大而減小,當含氣率大于0.14時,不存在周期性旋渦脫落現(xiàn)象；隨雷諾數(shù)增大旋渦脫落頻率增加。
　　 (4)采用氣液兩相雙流體模型,對不同節(jié)距比錯列管束氣液兩相繞流的非穩(wěn)態(tài)流動過程進行了數(shù)值模擬,得到了瞬態(tài)流場的流譜圖及渦量和含氣率分布,

6、結果顯示:上游圓柱沒有發(fā)生旋渦分離,自由剪切層對下游圓柱形成包裹,旋渦對氣泡形成卷吸,使含氣率與渦量具有相同的分布特性。著重分析了節(jié)距比、含氣率和雷諾數(shù)對旋渦脫落特性和管束脈動升力與時均阻力的影響,分析表明:不同節(jié)距比時下游圓柱的脈動升力系數(shù)最大,而時均阻力系數(shù)最大值均出現(xiàn)在中間管排上；存在一個臨界節(jié)距比(S/d)cr,使脈動升力和時均阻力系數(shù)最??；小截面含氣率(α=0.03、0.12)時,升力系數(shù)CL隨雷諾數(shù)增加而減小,大截面含氣率(