豎直通道內(nèi)液氮流動沸騰中泡狀流的數(shù)值模擬研究.pdf

1、由于飽和溫度較低，液氮在輸送過程中很容易受熱形成汽泡，在豎直管路中，受熱產(chǎn)生的小汽泡在上升的過程中將逐漸聚合，最后形成幾乎完全填充管道截面的彈狀汽泡，管道內(nèi)不斷變化的含汽率將會使流體發(fā)生動蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，彈狀汽泡的存在以及上升甚至會導(dǎo)致管路阻塞，并將液柱擠出管路，產(chǎn)生間歇泉現(xiàn)象，有可能造成輸送管路以及系統(tǒng)設(shè)備的損壞。液氮流動沸騰中的泡狀流同時包含過冷沸騰和飽和沸騰，對豎直管路中低溫流體汽泡由彌散汽泡聚合為彈狀汽泡的過程研究很有必要。<

2、br>　　近年來，兩流體模型被引入到液氮過冷流動沸騰分析中。在泡狀流所涵蓋的整個區(qū)域中，汽泡的尺寸分布在一個較寬的范圍內(nèi)。兩流體模型里，假定汽泡直徑在一定溫度范圍內(nèi)與液體過冷度呈線性關(guān)系，超出這一溫度范圍時，汽泡直徑為常數(shù)。因此兩流體模型不能拓展應(yīng)用于模擬整個泡狀流。為此，本文針對該盲區(qū)開展工作，將豎直通道內(nèi)液氮流動沸騰過程中的泡狀流作為本文的主要研究對象，目標是要建立能夠?qū)ε轄盍鞯南嚓P(guān)參數(shù)進行預(yù)測的理論模型，新的理論模型同時可用于預(yù)測

3、泡/彈狀流型轉(zhuǎn)變。
　　為了建立液氮流動沸騰中泡狀流的數(shù)學(xué)模型，本文從以下幾個方面開展工作，并取得了一定的成果：
　　首先基于群體平衡模型建立了平均汽泡數(shù)量密度方程，同時總結(jié)了常用的汽泡破裂和聚合模型，通過理論分析得到用于液氮流動沸騰的汽泡聚合和破裂模型。平均汽泡數(shù)量密度方程和兩流體模型耦合在一起，構(gòu)成了平均汽泡數(shù)量密度模型。
　　其次，通過編制程序?qū)ζ骄輸?shù)量密度模型進行數(shù)值求解，為了便于比較，也采用了兩流體模型進

4、行求解。平均汽泡數(shù)量密度模型對流動沸騰過程中的傳熱系數(shù)和壁面溫度等參數(shù)具有更高的預(yù)測精度。另外，汽泡的破裂和聚合極大程度影響流型轉(zhuǎn)變點后的全局壓降。
　　第三，引入MUSIG模型詳細分析了不同壁面熱流量、液體入口速度、過冷度以及不同管道高度時通道內(nèi)氣泡相界面面積、當?shù)貧馀葜睆?、空泡系?shù)等參數(shù)沿徑向和軸向的分布。分析結(jié)果表明MUSIG模型可用來預(yù)測泡彈狀流型轉(zhuǎn)變區(qū)的流動參數(shù)，也即該模型拓展了兩流體模型的使用范圍。
　　最后，分

5、別采用了Krichenko,Fritz的汽泡脫離直徑公式以及結(jié)合脫離汽泡受力平衡模型的多尺寸組模型對豎直環(huán)形管內(nèi)液氮的流動沸騰進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，結(jié)合脫離汽泡受力平衡模型的多尺寸組模型可用來預(yù)測流動沸騰過程中的汽泡起飛直徑以及汽泡起飛直徑的變化趨勢,同Krichenko，F(xiàn)ritz的汽泡脫離直徑公式比，該模型有助于改善管道內(nèi)汽泡尺寸分布以及空泡系數(shù)的預(yù)測,從而有助于準確分析彈狀汽泡及間歇泉的形成。
　　本文圍繞垂直通道內(nèi)的液