低溫氣液兩相彈狀流流動(dòng)特性和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)而生成Taylor氣泡。這些 Taylor氣泡導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致管路和閥門的結(jié)構(gòu)損壞,并造成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí),就會(huì)出現(xiàn)彈狀流動(dòng),這已經(jīng)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行造成極大隱患。因此,準(zhǔn)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(chǎng),尤其是尾跡區(qū)流場(chǎng)是Taylor氣泡合并過程的關(guān)鍵因素,兩個(gè)連續(xù)的Taylor氣泡之間的相互作用過程取決于領(lǐng)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(dǎo)致不同的合并速率,一些尾跡區(qū)流型甚至?xí)柚箖蓚€(gè) 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(zhǎng)度份額,進(jìn)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(qiáng)度決定了液彈中彌散氣泡和液體的速度分布,也會(huì)影響兩相流動(dòng)的空泡份額。同時(shí) Taylor氣泡頭部區(qū)域的流場(chǎng)對(duì) Taylor氣泡的上升速度有重要影響。綜上所述,Taylor氣泡周圍流場(chǎng)的研究是低溫氣液兩相彈狀流中的重要課題,對(duì)低溫系統(tǒng)的工作效率和安全運(yùn)行都具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)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(gè)整體的連續(xù)過程,其中對(duì) 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(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)Taylor氣泡形成的影響。對(duì)于低溫氣液兩相彈狀流研究,大多數(shù)研究限于宏觀流動(dòng)特征,如壓降測(cè)量和圖像研究。由于低溫氣液兩相流中流場(chǎng)測(cè)量的難度較大,關(guān)于低溫氣液兩相流中 Taylor氣泡周圍流場(chǎng)的研究國內(nèi)外未見報(bào)道,且尚沒有建立針對(duì)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(yuǎn)落后于常溫流體。
　　本文以液氮為工質(zhì),對(duì)低溫管路中由漏熱產(chǎn)生的Taylor氣泡的形成、運(yùn)動(dòng)和合并過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。對(duì)漏熱形成的低溫氣液兩相流動(dòng)中 Taylor氣泡的形成位置、長(zhǎng)度和速度分布進(jìn)行了可視化研究。使用PIV流場(chǎng)測(cè)量方法對(duì)低溫液體中Taylor氣泡周圍流場(chǎng)進(jìn)行了定量測(cè)量,使用POD數(shù)據(jù)分析方法對(duì)PIV測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步分析,探討了流場(chǎng)的湍流大尺度結(jié)構(gòu)對(duì) Taylor氣泡之間相互作用的影響、管路內(nèi)湍流強(qiáng)

6、度對(duì) Taylor氣泡形成的影響,最后對(duì)對(duì)理想狀態(tài)下,靜止低溫流體中單個(gè) Taylor氣泡的運(yùn)動(dòng)特征和周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。具體如下：
　　⑴建立了適用于低溫氣液兩相流動(dòng)的PIV測(cè)速和可視化測(cè)量相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)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(jìn)行驗(yàn)證,最大相對(duì)誤差不超過3％。使用Fortran語言編制了通用校正程序。
　?、评蒙鲜鰧?shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)合

7、高速相機(jī)在多種傾角下,對(duì)多種管路內(nèi)液氮沸騰形成的氣液兩相流動(dòng)中 Taylor氣泡宏觀特征進(jìn)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(lǐng)先氣泡速度與氣泡間距的關(guān)系。已有的由常溫流體得到的速度關(guān)系式不適用于液氮流體,普遍高估了本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果,新建立的關(guān)系式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。得到了Taylor氣泡的形成位置、速度和長(zhǎng)度份額分布與管路內(nèi)徑、傾角的關(guān)系。
　?、鞘褂盟▽?shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)合PIV實(shí)驗(yàn)手段得到了Tay

8、lor氣泡周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。結(jié)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(rèn)為當(dāng)無量綱流體逆粘度數(shù)Nf>1500時(shí),Taylor氣泡尾跡區(qū)為湍流。在液氮流體中,當(dāng)Nf數(shù)遠(yuǎn)大于這一臨界值時(shí),液氮流體中的Taylor氣泡尾跡區(qū)仍然為過渡流和層流。
　?、仁褂肞OD方法對(duì)PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的分析,得到了尾跡區(qū)流場(chǎng)中湍流大尺度結(jié)構(gòu),解釋了可視化實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)可抑制 Taylor氣泡的合并的結(jié)論。
　?、稍赑IV實(shí)驗(yàn)和可視化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,考察了流場(chǎng)湍流強(qiáng)度、熱流密度、管路內(nèi)徑和管路傾角等對(duì) Taylor氣泡形成的影響,提出了無量綱氣相速度vq。在此基礎(chǔ)上,建立了液氮管路中由漏熱形成的Taylor氣泡的生成位置預(yù)測(cè)公式,公式預(yù)測(cè)結(jié)果與本文和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比最大誤差在±20%以內(nèi)。
　?、适褂肰OF方法對(duì)靜止液氮中,單個(gè)Taylor氣泡