氣液兩相繞流旋渦脫落特性的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究.pdf

1、在動(dòng)力工程、石油化工、核能利用等領(lǐng)域廣泛存在著氣液兩相流體繞流柱體的流動(dòng)現(xiàn)象,在一定流動(dòng)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(shè)備運(yùn)行的安全,而且會(huì)大大縮短工業(yè)設(shè)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(jī)理,揭示氣液兩相旋渦的形成和演化特性,給工業(yè)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供科學(xué)可靠的依據(jù),本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.50676017)和教育部科學(xué)技術(shù)研究重

2、點(diǎn)項(xiàng)目(No.206037)資助下,對(duì)垂直上升矩形管道內(nèi)氣液兩相流繞圓柱體、旋轉(zhuǎn)正方形排列管束的旋渦脫落特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(yàn)臺(tái),兩相流介質(zhì)采用常溫清水和壓縮空氣。可以在垂直上升的矩型截面實(shí)驗(yàn)段內(nèi)研究細(xì)泡狀流繞圓柱和管束流動(dòng)的各種動(dòng)態(tài)特性。設(shè)計(jì)了一個(gè)可連續(xù)多角度測(cè)量的圓柱表面壓力測(cè)量裝置,實(shí)現(xiàn)單個(gè)傳感器在相同工況下的多點(diǎn)壓力測(cè)量,并建立了一套用于測(cè)量圓柱表面脈動(dòng)壓力和旋渦脫

3、落頻率的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。為研究錯(cuò)列管束間氣液兩相流場(chǎng)的旋渦形成和演化特性,建立了一套高速動(dòng)態(tài)圖像采集與分析系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)使用分辨率為768×512像素,拍攝速度為1000fps。
　　 (2)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了氣液兩相流繞直徑35mm圓柱時(shí)不同含氣率和雷諾數(shù)下圓柱表面的脈動(dòng)壓力、時(shí)均壓力分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:含氣率對(duì)圓柱表面時(shí)均壓力系數(shù)和脈動(dòng)壓力系數(shù)均有較大影響,隨著含氣率增大,時(shí)均壓力系數(shù)的最小值逐漸減小,而脈動(dòng)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(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),雷諾數(shù)對(duì)脈動(dòng)壓力、時(shí)均壓力影響很小。同時(shí),利用旋渦脫落必然引起圓柱體兩側(cè)的壓差變化的原理,測(cè)量了動(dòng)態(tài)壓差波動(dòng)信號(hào),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(duì)功率譜的影響。結(jié)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(dāng)含氣率大于0.1時(shí),旋渦交替脫落現(xiàn)象消失。
　　 (3)采用高速動(dòng)態(tài)圖像處理方法研究了錯(cuò)列管束間兩相旋渦的演化特性。通過動(dòng)

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(jī)理,運(yùn)用圖像相關(guān)性比較和統(tǒng)計(jì)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(dāng)含氣率大于0.14時(shí),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(duì)不同節(jié)距比錯(cuò)列管束氣液兩相繞流的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了瞬態(tài)流場(chǎng)的流譜圖及渦量和含氣率分布,

6、結(jié)果顯示:上游圓柱沒有發(fā)生旋渦分離,自由剪切層對(duì)下游圓柱形成包裹,旋渦對(duì)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(duì)旋渦脫落特性和管束脈動(dòng)升力與時(shí)均阻力的影響,分析表明:不同節(jié)距比時(shí)下游圓柱的脈動(dòng)升力系數(shù)最大,而時(shí)均阻力系數(shù)最大值均出現(xiàn)在中間管排上；存在一個(gè)臨界節(jié)距比(S/d)cr,使脈動(dòng)升力和時(shí)均阻力系數(shù)最?。恍〗孛婧瑲饴?α=0.03、0.12)時(shí),升力系數(shù)CL隨雷諾數(shù)增加而減小,大截面含氣率(