两相流流型动力学特征多尺度递归定量分析

基于垂直上升管中测取的气液两相流电导波动信号,采用递归定量分析方法,从多尺度角度研究了气液两相流泡状流、段塞流及混状流三种典型流型的动力学运动特征.研究结果表明,低频泡状流及混状流在递归图表现为沿对角线方向比较发育的混沌递归线条纹理特征,表明了低频运动的泡状流及混状流具有较好的确定性运动行为,而随着泡状流及混状流运动频率增加,混沌递归特征变差,其运动特征逐渐向随机方向发展.对于段塞流,在混沌递归图上逐渐呈现间歇的矩形块纹理结构,且段塞流中液塞与气塞的间歇运动特征出现在高频段,而段塞流中的泡状流运动则出现在低频段上,且随着泡状流运动频率增加,泡状流逐渐失去确定性运动行为.表明了基于电导波动信号的多尺度非线性分析方法是理解与表征气液两相流动力学特性的有效途径. 关键词： 两相流 流动特性 多尺度分析 递归分析     

空隙率波的波速与气相漂移特性研究

针对垂直上升管内气-水两相泡状流,利用高速数字摄像技术、电导探针和相关性原理,测量了不同气液表现流速下泡状流空隙率波的传播速度,分析了不同扰动频率对空隙率波瞬时波速概率分布的影响,研究了空隙率波的传播相对于两相混合流速的漂移特性．研究结果表明,空隙率波的传播相对于两相混合流速呈正漂移,且飘移速度略大于气相的飘移速度,随两相流混合流速的增大呈线性增大．     

气泡初始尺寸对泡-弹状流型转换的影响

本文对气液两相泡状流向弹状流转换的机制进行了分析,认为气泡合并是影响该流型转换的主要机制,并据此用随机数值模拟方法,对气泡初始尺寸对泡状流向弹状流转换的影响进行了研究。计算结果表明,无量纲气泡碰撞率是一条通用曲线,根据该曲线可以确定气泡初始尺寸产生影响的区域及其大小,与实验结果的比较令人满意。     

Y型微通道气液两相流的数值模拟

针对Y型微通道气液两相流的数值模拟,建立了适用于微通道气液两相流的计算模型,采用CFD方法对微通道内流体的流动进行了数值研究,分析了微通道内流动状态、气泡形状以及生成周期,模拟了Y型微通道气液两相流弹状流的形成过程,并对弹状流的压力、速度、壁面剪切应力的分布、变化趋势及原因进行了深刻剖析,揭示了弹状流流动规律,为进一步加强弹状流应用打下基础,为微通道中的气液两相流动提供了可靠的理论依据。     

气液两相流波动信号的时频谱分析研究

为了研究气液两相流不同流型的动态特性,通过小波变换、希尔伯特-黄变换及自适应最优核三种时频方法对气液两相流动态差压信号进行处理.通过对时频谱的分析,可以清晰看出当流型从泡状流向弹状流、塞状流的转化过程中,信号的主要能量由15—35 Hz之间的频带向0—8 Hz频带转移,在弹状流时出现了两个谱峰.实验结果表明:希尔伯特-黄变换及自适应最优核方法的时频分辨率比小波分析高.基于自适应最优核方法的脊信息的提取,克服了模糊平面加窗效应的影响,对气液两相流动态信号表现出更高的时频分辨率,并增强了时频平面信息的可读性. 关键词： 气液两相流 流型识别 希尔伯特-黄变换 自适应最优核     

摇摆对竖直管内气-水两相流流型的影响分析

本文分别在摇摆和非摇摆状态下,对竖直管内气-水两相流流型进行了实验研究.实验发现,摇摆状态下充分发展的两相流流型主要是泡状流、弹状流、搅混流和环状流.根据实验数据,分别绘出了两种状态下的气液两相流流型图.通过对比发现,摇摆对两相流流型之间的转换边界有明显影响,并分析了摇摆对流型转变影响的原因.     

小长径比垂直管气液两相流动特性分析

实验观察了小长径比垂直上流管内流型及特点,并对管入口处的压力波动特性和系统的压差波动特性进行了试验研究.结果表明:小长径比(L/D)垂直管内流型表现为泡状流、塞状流、乳沫状流、环状流和液束环状流;分别增加管线中的气量、液量,或者同时增加气液流量,均会造成垂直管入口处压力波动的均值和最大压力的增加;压力信号的概率密度(PDF)大部分呈双峰分布,也存在单峰和多峰分布;差压信号的概率密度符合正态分布,其功率谱密度同压力信号相比具有频率波动范围宽、幅值小的特点.     

小管径气液两相流空隙率波传播的多尺度相关性

空隙率波是气液两相流系统的特殊物理现象,理解空隙率波的传播特性对揭示两相流流型转变与流速测量物理机理具有重要意义.本文首先考察了典型非线性系统的多尺度互相关特性,发现去趋势互相关分析方法可有效揭示系统的多尺度非线性动力学特征;然后,通过采集垂直上升小管径气液两相流电导传感器阵列上下游空隙率波动数据,提出采用多尺度去趋势互相关分析方法探测空隙率波传播的多尺度互相关特性,并提取了低尺度空隙率波互相关水平增长率;另外,通过计算空隙率波空间衰减因子,考察了气液两相流空隙率波传播的结构不稳定行为.结果表明,空隙率波结构的多尺度互相关特性与其空间衰减特性具有较好的物理关联性:对于气液两相流过渡流型,低尺度空隙率波互相关水平增长率较高,且与较为稳定的空隙率波传播特性相对应;而当气液两相流空隙率波明显衰减或放大时,空隙率波互相关水平增长速率一般较低.     

静态水气分离特性的失重飞机实验研究

利用失重飞机提供的短时失重、超重和常重力交变环境,研究了膜式静态水气分离器首级可视化分离室和再循环管道中的水气两相流动构型.首级分离室内变截面蛇形窄通道内变质量流率的气液两相流动表现为间歇状的、不稳定的溪状流,在不同重力阶段具有几乎相同的变化特征.再循环管路内的气液两相流主要以细碎的泡状流和弹状流为主,气泡或气团间平均...     

泡状流局部界面浓度实验与理论研究

应用高速数字摄像系统,首先对双头电导探针测量泡状流局部界面浓度的几种模型进行了标定和评价。使用标定好的双头电导探针技术,对垂直上升管内气液两相泡状流局部界面浓度和含气率分布特性进行了深入的实验研究。试验段为内径40 mm的透明有机玻璃管。根据试验数据的分析结果,发展了一种垂直上升管内气液两相泡状流局部界面浓度预测模型。在本文实验条件下,该局部界面浓度模型预测结果能够与实验数据很好地符合。     

水平管道段塞流特征参数的压差波动分析

分析了压力波动信号互相关求液塞速度存在的不足，引入了压差波动分析法；明确了液塞到达和离开上、下游测压点的时刻与压差波动信号起峰点与落峰点位置的关系；指出了压差信弓脉冲宽度为液塞义到达上游测压点和液塞尾离开下游测压点的时间间隔，脉冲宽度与液塞速度的乘积为液塞长度与差压传感器间距之和．把空气－水、柴油和机械油的试验结果与文献中经验关系式进行了对比，验证了该测量方法的正确性．     

水平管段塞流压力/压差波动特性分析

本文在对水平管段塞流压力波动特性进行理论分析的基础之上,对其压力/压差波动特性进行了试验研究。结果表明,折算液速对段塞频率的影响作用远大于折算气速的影响作用;分别增加管线中的气量、液量,或者气液量同时增加,均会造成管线运行过程中均值压力/压差和最大压力/压差的增加;压力信号的概率密度分布大部分呈双峰分布,但其中也存在单峰和多峰分布;压差信号的概率密度符合正态分布;压力信号的功率谱密度具有频率波动范围窄、幅值大的特点;与同工况压力信号的功率谱密度相比,压差信号的功率谱密度具有频率波动范围宽、幅值小的特点。     

弹状流长气泡区液膜流动的连续波特性

应用高速数字摄像与图形分析技术,在水平管中对弹状流长气泡区液膜流动的连续波特征进行了实验研究,理论分析表明弹状流长气泡区的液膜流是传播速度等于长气泡平移速度的连续波,提出了液膜厚度的控制方程,对液膜厚度的计算结果与测量结果相符合。得到弹状流中存在连续波的重要结论,揭示了稳定弹状流具有波动特性的物理本质。     

集输管路上升管系统严重段塞流实验和理论模拟

严重段塞流的实验研究表明,在气泡进入上升管底部到运动至出口的过程中,上升管中气泡头部以下流型为弹状流型;当气泡头部流出上升管后,上升管中的流型可看作块状流型。根据实验结果,本文提出了采用漂移流模型简化计算上升管中两相流动、上游管道中气体膨胀满足质量守恒,同时考虑上升管内液体动量守恒的严重段塞流计算模型。计算值与测量值比较表明,模型可以正确预测出气体膨胀流动过程,气体流动时间不受入口气液流量的影响。模型可以准确计算出严重段塞流周期、液塞长度和倾斜管中液柱最大长度等参数。     

表面活性剂添加对水平管内气液两相流含液率的影响

应用电导断层测量技术研究表面活性剂添加对水平管内气液两相流含液率的影响,实验工质为空气/水、空气/100 mg/kg十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液。结果表明,空气/水气液两相流动在光滑分层流型区,表面活性剂添加对平均截面含液率基本没有影响。随着液体流速的增加,空气/水气液两相流动进入波状分层流型区域,添加表面活性剂可以抑制或消除界面波动,增大平均截面含液率。表面活性剂的添加使弹状流含液率下降,气液流速较低时这一现象尤为明显。     

水平管道中段塞流的跟踪模拟

本文对以unit cell模型为基础建立起来的段塞流跟踪模型进行了改进。利用改进后的模型对水平管道中空气-水段塞流的压降、液塞平移速度、液塞长度等特征参数进行了模拟研究,并将模型预测结果与相应的试验结果进行了比较。结果表明,改进后的模型可以有效地预测以上各参数的演变规律。模拟和试验结果均表明,水平管道中段塞流的液塞平移速度符合正态分布,液塞长度符合对数正态分布。     

两相流流型多尺度熵及动力学特性分析

研究了几种典型非线性时间序列的多尺度熵特征,在此基础上分析了由插入式阵列电导传感器采集的144种流动条件下的垂直上升气液两相流电导波动信号.研究结果表明：利用小尺度下样本熵的变化速率特征可以分辨三种典型流型（泡状流、段塞流、混状流）,而大尺度下样本熵的波动特征可以反映各种流型的动力学特性.泡状流随机可变特性表现为大尺度下样本熵的高值及振荡特征;段塞流气塞与液塞的间歇性运动表现为大尺度下样本熵的低值及平稳性;混状流极不稳定的振荡运动特性表现为介于泡状流及段塞流之间的熵值特点,并在更大尺度时熵值逐渐接近泡状流 关键词： 样本熵 多尺度熵 气液两相流 动力学特性     

Entropy Generation for Negative Frictional Pressure Drop in Vertical Slug and Churn Flows

It is widely accepted that the frictional pressure drop is impossible to be negative for pipe flow. However, the negative frictional pressure drops were observed for some cases of two-phase slug and churn flows in pipes, challenging the general sense of thermodynamic irreversibility. In order to solve this puzzling problem, theoretical investigations were performed for the entropy generation in slug and churn flows. It is found that the frictional pressure drop along with a buoyancy-like term contributes to the entropy generation due to mechanical energy loss for steady, incompressible slug and churn flows in vertical and inclined pipes. Experiments were conducted in a vertical pipe with diameter as 0.04 m for slug and churn flows. Most of the experimental data obtained for frictional pressure drop are negative at high gas–liquid ratios from 100 to 10,000. Entropy generation rates were calculated from experimental data. The results show that the buoyancy-like term is positive and responsible for a major part of entropy generation rate while the frictional pressure drop is responsible for a little part of entropy generation rate, because of which the overall entropy generation due to mechanical energy loss is still positive even if the frictional pressure drop is negative in vertical slug and churn flows. It is clear that the negative frictional pressure drops observed in slug and churn flows are not against the thermodynamics irreversibility.