傾斜圓管內(nèi)液氮-氮蒸汽液泛流動特性及臨界速度預測方法.pdf

1、隨著空分裝備朝超大型化方向發(fā)展、液化天然氣應用快速增長以及低溫推進劑在液體火箭中普及，低溫氣液兩相流動研究越來越成為事關(guān)國家能源和航天工業(yè)技術(shù)升級的重要課題。而液泛現(xiàn)象廣泛發(fā)生于包括低溫流體的氣液兩相流設備中，現(xiàn)有的液泛研究成果大多適用于常溫流體，低溫流體與常溫流體相比表面張力、粘性等物性差別較大，導致低溫流體液泛發(fā)生機理存在本質(zhì)不同，對低溫流體液泛速度的預測成為當前兩相流研究的熱點之一，其發(fā)生機理和臨界速度準確預測方法亟待研究。為探究

2、低溫流體液泛機理，并建立液泛臨界速度預測模型，本文主要開展了以下四個方面的工作：
　　1、基于有粘Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定理論，建立了傾斜圓管液泛速度預測理論模型，揭示了流體物性以及幾何結(jié)構(gòu)對液泛臨界速度的影響機理。
　　Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定（KHI）理論已廣泛用于界面不穩(wěn)定的預測。研究表明，粘性小時，在計算液泛速度時反而需要考慮粘性的影響，即需要基于有粘KHI（VKHI）理論?？紤]到液氮粘度

3、遠小于水，本文基于 VKHI理論計算液泛臨界速度，假設具有最大增長因子的界面波為最危險波并觸發(fā)液泛，建立起兩相流不穩(wěn)定到液泛的內(nèi)在聯(lián)系，從而構(gòu)建起傾斜管內(nèi)適用于低溫流體液泛理論計算模型。理論預測與常溫和低溫流體液泛實驗結(jié)果均吻合較好。基于該理論模型，研究了密度、表面張力和粘性等物性和幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對液泛臨界速度的影響，發(fā)現(xiàn)減小氣體密度和液體粘度，增大表面張力、傾斜角和管徑，均能增大液泛臨界氣速。
　　2、以液氮（LN2）-飽和氮蒸汽

4、（VN2）和水-空氣為工質(zhì)開展了液泛實驗研究，驗證了理論模型的準確性，并探究了液泛過程流態(tài)轉(zhuǎn)變特性。
　　低溫流體與常溫流體的物性差異導致液泛機理不同，現(xiàn)有的液泛實驗幾乎均以常溫流體為工質(zhì)。本文搭建了絕熱傾斜圓管液泛可視化實驗系統(tǒng)，以LN2-VN2和水-空氣開展液泛對比實驗，測量得到了不同傾角的液泛臨界速度，觀察了液泛過程的流態(tài)轉(zhuǎn)變特性。實驗結(jié)果表明：LN2-VN2液泛臨界氣速要遠小于水-空氣液泛臨界氣速，相比水-空氣液泛發(fā)生時呈

5、現(xiàn)出完整的界面波反轉(zhuǎn)以及段塞流，低溫流體液泛發(fā)生時，界面波易被吹散形成液滴流。結(jié)果證明了理論模型能夠較好地預測低溫工質(zhì)液泛。本文提出了一套同時適用于低溫流體和常溫流體的液泛速度經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，誤差小于20％。
　　3、建立了傾斜管中液泛過程 CFD數(shù)值模型，探究了表面張力及粘性等對液泛流態(tài)影響的內(nèi)在規(guī)律。
　　液泛過程氣液相界面結(jié)構(gòu)的跨尺度變化以及劇烈的相間動量交換是數(shù)值計算的難點。本文采用多尺度相界面識別技術(shù)和代數(shù)界面密度（A

6、IAD）界面曳力計算模型，分析了液泛流態(tài)轉(zhuǎn)變過程，探究了表面張力和粘性對流態(tài)的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明：表面張力能夠起到穩(wěn)定液膜的作用，表面張力較小時，液膜更易被撕裂形成小液滴；而液體粘度則表現(xiàn)為液膜的內(nèi)聚力，液體粘度越大，界面波越易形成段塞流。
　　4、研究了液泛過程界面波動特性，揭示了液泛發(fā)生前后界面波動對液泛的影響。
　　界面波是液泛發(fā)生的起源和液泛現(xiàn)象形成的先決條件，而液泛現(xiàn)象是個高度不穩(wěn)定和非穩(wěn)態(tài)過程，了解界面波動在

7、液泛發(fā)生前后的變化規(guī)律有助于更深入理解液泛發(fā)生本質(zhì)，現(xiàn)有研究較少對液泛過程界面波波動特性展開深入研究。本文根據(jù)CFD數(shù)值計算和液泛實驗結(jié)果，從界面波角度，對壁面切應力和壓差波動信號展開了頻譜分析和小波分析，對比研究LN2-VN2和水-空氣兩組工質(zhì)在液泛發(fā)生時的波動頻率和強度。結(jié)果表明：液泛發(fā)生過程液膜存在急劇振蕩行為；液泛發(fā)生時，相界面波動主頻在2.5 Hz附近；對于水-空氣，液泛發(fā)生前的波動頻率要大于液泛發(fā)生時的頻率，對于LN2-VN