不同流場環(huán)境影響下管內(nèi)氣（汽）液兩相流動與傳熱特性的數(shù)值研究.pdf

1、氣（汽）液兩相流問題廣泛地存在于自然界和工業(yè)界的諸多領(lǐng)域，密切關(guān)系著人民的生活和生產(chǎn)安全。流體的實際流動和傳熱效果受流體固有物理化學(xué)性質(zhì)和流場環(huán)境的綜合作用。流體的物理化學(xué)性質(zhì)通常是可查詢或可測量的，但是流場環(huán)境常常會主動或被動的發(fā)生改變，其中流場環(huán)境的被動改變往往是無法控制和難以預(yù)測的，最終造成流體流動和傳熱的實際真實值與理論預(yù)測值產(chǎn)生偏差。由于流場環(huán)境無時無刻不在影響甚至決定著內(nèi)部流體的流動與傳熱特征，因此其研究重要性不言而喻。

2、r>　　本文在考慮不同流場影響的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值方法的優(yōu)越性，利用基于計算流體動力學(xué)(CFD)理論的商用計算軟件平臺Fluent，選擇VOF多相流模型和RNGk-ε湍流模型求解氣（汽）液相界面行為，通過編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)添加汽、液質(zhì)量和能量源項來考慮有相變發(fā)生時的質(zhì)能傳遞問題。采用二階迎風(fēng)差分格式處理對流項，壓力基分離求解方法選取PRESTO，利用PISO作為壓力速度耦合算法。
　　為了驗證數(shù)學(xué)模型和自編程函數(shù)的準確性，

3、文中選取多種途徑的驗證方式。采用的驗證標準包括實驗測量數(shù)據(jù)、經(jīng)驗修正公式以及理論推導(dǎo)公式等。對應(yīng)流場環(huán)境下的對比顯示，數(shù)值計算結(jié)果與已有數(shù)據(jù)結(jié)果表現(xiàn)出了較好的一致性，表示建立的數(shù)學(xué)模型能夠準確處理一定流場環(huán)境影響下的流體流動與傳熱問題。根據(jù)工況不同選用的工質(zhì)材料包括空氣-水、水蒸汽-水和R134a蒸汽-液體三組混合物，對重力流場、壓力流場和熱載流場影響下管內(nèi)氣（汽）液兩相流動與傳熱特性進行了較全面系統(tǒng)的研究分析。
　　1.重力流場

4、。建立了低重力流場下管內(nèi)氣液兩相流的數(shù)值模型，分析了低重力環(huán)境下氣（汽）液兩相流的運動特性。低重力環(huán)境下慣性力、粘性力和表面張力的影響相對增強，成為流型形成和改變的主要因素，使低重力流場下的流型形狀與常重力相比有顯著差別。與常重力流場相同，氣（汽）、液流速的增大會使流動壓降提高，且重力加速度越小，氣（汽）液流動壓降越大。因此，常重力下預(yù)測氣液兩相流摩擦壓降的均相流模型、Friedel模型和Chisholm模型都不能用于預(yù)測低重力環(huán)境下的

5、壓降結(jié)果。根據(jù)分液相Re數(shù)對低重力場流動重新分區(qū)，修正后的Chisholm關(guān)系式能夠準確預(yù)測低重力流場下的流動壓降。對于存在相界面波動的攪混流型，隨著重力場的減弱，界面波波峰高度隨之增大，界面波的形成周期隨之延長，相界面穩(wěn)定性隨之增強。
　　2.壓力流場。根據(jù)高壓環(huán)境特性，建立了高壓流場下垂直管道內(nèi)汽液兩相流的數(shù)值模型。高壓環(huán)境下的流型圖分布與Hewitt和Roberts流型圖的吻合度較差。高壓環(huán)境下沒有出現(xiàn)霧狀流;彈狀流區(qū)被壓縮

6、;泡狀流區(qū)擴大，幾乎覆蓋了常重力流場下的泡狀流區(qū)、彈狀流區(qū)和部分霧狀流區(qū)。對界面波動特性的研究顯示，流場壓力越大，界面波振幅越大、形成周期延長、相界面穩(wěn)定性提高。對于攪混流，流場壓力對管道中心速度場分布的影響不大。與常壓環(huán)境相比，隨著流場壓力的增大，近壁面處局部速度場振蕩的隨機和紊亂程度有所減弱。
　　以汽、液無量綱流速為軸建立坐標系，在垂直管道內(nèi)的汽液逆流過程中，高壓環(huán)境下淹沒開始點呈二次函數(shù)分布，且分布方式與流場壓力無關(guān)，文中

7、采用最小二乘法回歸得到了修正后的淹沒開始點預(yù)測經(jīng)驗公式。全部攜帶點、流向反轉(zhuǎn)點和有滯后現(xiàn)象的淹沒消失點均呈線性分布。文中以常壓流場為基準，討論了流場壓力對汽液逆流過程的影響。
　　3.熱載流場。通過添加汽、液質(zhì)能源項，建立了熱載流場下汽液兩相流動和傳熱的數(shù)值模型。當(dāng)下降液膜重新浸潤裸露熱壁時，液膜前沿接觸角會發(fā)展為浸濕鋒面。當(dāng)壁面過熱度達到一定值時，浸濕鋒面與壁面分離，不再參與熱壁的冷卻換熱。為了研究浸濕鋒面的運動特征，文中定義了

8、浸濕鋒面的臨界分離長度及其發(fā)生位置、臨界分離高度以及保持分離的臨界時長，文中以壁面熱流密度和液膜Re數(shù)為變量，繪制了以上特征參數(shù)的分布圖。
　　對于下降液膜流動過程中的傳熱和運動特性，討論的內(nèi)容涉及核態(tài)沸騰的發(fā)生時間及位置、沸騰初期飽和汽泡的形成過程及其對液膜表面波動的影響，和下降液膜的傳熱狀態(tài)分布等。不同工況下降膜表面換熱系數(shù)的變化趨勢是一致的，即從初始值逐漸下降，直至穩(wěn)定在某一數(shù)值。本文計算范圍內(nèi)，相同入口液流量下的表面換熱系