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     

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.     

螺旋轴流泵内气液两相流型可视化研究

以一台自主研发的螺旋轴流泵为研究对象,以水和空气的混合物为介质,采用高速摄影技术,研究了不同工况下泵入口段及第一级叶轮内部的气液两相流型。研究发现:入口段气液两相流型为均匀的泡状流,气泡直径随入口含气率的增加而增大,随转速的增加而减小;随着入口含气率的逐渐增加,叶轮内分别出现了孤立的气泡流、泡状流、气囊状流及乳化状流;气囊出现在叶片压力面约2/3弦长的位置,且紧贴着叶轮轮毂;出现气囊状流时,泵的性能下降最为明显;出现乳化状流时,随着含气率的增加,增压性能下降趋于缓慢。     

垂直气液两相流混沌吸引子单元面积分析

为了充分反映吸引子结构随时间延迟的变化规律,在现有吸引子形态描述方法基础上定义了吸引子单元面积,通过仿真发现,吸引子单元面积随时间延迟变化曲线第一个波峰的高度和时间延迟主要由信号中大幅值波动的数量、频率决定,利用此规律对实验采集到的气液两相流电导波动信号进行分析,发现在固定液相流量条件下,改变气相流量会导致泡状流、段塞流和混状流中大幅值波动幅度的改变,但相同流型信号中大幅值波动的频率比较接近.将吸引子单元面积随时间延迟变化曲线第一个波峰的时间延迟和落差比作为特征量,可以实现泡状流、段塞流、混状流的流型分类.     

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     

微通道内沸腾流动与传热特性耦合机理研究

以水为工质，模拟研究不同条件下水平矩形微通道沸腾流动过程中气泡发生发展及流型演变与温度、压力、传热系数的耦合关系。结果表明：持续吸热的弹状流会占据通道大部分流动区域，易造成堵塞和局部高温；泡状流区域压力波动幅度较小，较长弹状气泡和大雷诺数均会导致较大的局部压降；升高热流密度减小了单相区长度，强化了核态沸腾，提高了通道整体传热性能；增大雷诺数使得通道内气泡尺寸减小，减少了两相流动的不稳定与堵塞现象，通道整体传热性能得以提升。     

气液两相流压力波色散特性实验研究

设计了可调频式压力扰动源的气液两相流压力波实验装置,实验研究了垂直上升管内气液两相流泡状流、弹状流压力波的色散规律。实验结果表明,对泡状流,在实验范围内,压力波的传播速度及其衰减跟扰动频率有关,随着扰动频率的增加,波速及其衰减都增加;工质的流速对压力波的色散特性没有影响。结合数值模拟结果,验证了泡状流压力波色散特性的临界频率现象,即高于临界频率,压力波色散特性消失,本文分析了相应的物理机制。对弹状流,压力波同样具有典型的色散特性,已有研究结果还不能预测其色散规律。     

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。     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

垂直U形管内气液两相流诱导振动模拟

采用ADINA数值方法研究了垂直U形管内气液两相流诱导振动的位移响应和脉动激振力特性,然后考察了雷诺数Re和体积含气率β对激振力的影响规律。结果表明:气液两相内流诱导振动以面内振动为主,表现为两相流诱发激振力的主频与管结构某阶固有频率相近时的共振现象;激振力的脉动特性表现为低β时的窄频带随机波动和高β时的周期性波动;固定β时,激振力的均方根值F~(RMS)随Re的增大而增大,增大速率逐渐增加;同一Re下,F~(RMS)先随β的增大而增加,在β=55%左右时达到最大,之后逐渐降低,最大值出现在泡状流向搅拌流的转变过渡区。     

水平管气液两相泡状流紊流结构的准三维测量

用两个X型热膜探针对内径为35mm的水平管内气液两相泡状流的三维紊流结构进行了准三维测量,得出了沿不同直径的轴向、径向和周向的紊流脉动速度和雷诺应力分布。发现在水平管下部脉动速度和雷诺应力与单相流动时的分布规律相似;在管子上部由于空气泡的存在增强了脉动速度;在某些区域内,周向的脉动值甚至比径向和轴向的相应值还要高。水平气液两相泡状流中雷诺应力-uw不为零,在管子的上部甚至和-uv有相同的量级。给出了由于气泡引起的紊流脉动与总素流脉动比值沿径向的分布。     

气泡-液体多股射流二阶矩两相湍流模型的模拟

本文采用二阶矩两相湍流模型模拟了气泡－液体闭式多股射流。研究结果显示出预报的两相速度、雷诺应力和气泡体积分数分布的合理性，以及在速度较高和剪切较强的情况下，气泡湍流脉动仍然大于液体湍流脉动，气泡增强液体湍流，气液两相湍流脉动均存在各向异性，而且气泡脉动的各向异性比液体脉动的大等规律。     

气泡-液体闭式多股射流的大涡模拟研究

采用气泡-液体两相流动的欧拉-拉氏大涡模拟,研究了矩形通道内多股射流形成的气泡-液体两相湍流流动,得到了气液两相湍流瞬态结构,产生和发展过程。研究结果发现气泡和液体都有瞬态大涡结构,气泡脉动比液体的强。大涡模拟统计结果给出了有无气泡两种情况下的液体湍流脉动速度均方根值分布。瞬态和统计结果都表明,气泡增大了液体湍流,液体湍流来源于其自身的剪切产生和气泡的作用。这与二阶矩模型模拟结果定性一致。     

利用声衰减反演气泡群分布的方法研究

通过测量含气泡水的声衰减反演气泡群参数是获取水中气泡分布的重要方法,但是经典方法忽略了较高浓度气泡水中的强频散特性和气泡振动参数的改变,导致反演较高浓度气泡群分布时会产生巨大误差.为解决这个问题,本文基于等效媒质理论建立起了声衰减和相速度的联系,并考虑了含气泡水平均量对气泡阻尼系数和共振频率的影响.在此基础上,通过将反演气泡分布和修正相速度及气泡振动参数交替迭代的方法,有效地消除了高浓度气泡水中由频散和气泡振动特性改变引起的误差.与实验数据对比发现,气泡群孔隙率达到10^-5时,考虑含气泡水的频散特性会显著降低反演误差;而当气泡群孔隙率达到10^-3时,气泡阻尼系数和共振频率的修正会对反演结果变得重要.本文方法在反演孔隙率为10^-3-10^-2的高浓度气泡群时,仍有较好效果,这可为获取水下较高浓度气泡群分布提供方法借鉴.     

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     

声波在含气泡液体中的线性传播

为了探讨含气泡液体对声波传播的影响, 研究了声波在含气泡液体中的线性传播. 在建立含气泡液体的声学模型时引入气泡含量的影响,建立气泡模型时引用 Keller的气泡振动模型并同时考虑气泡间的声相互作用,得到了经过修正的气泡振动方程. 通过对含气泡液体的声传播方程和气泡振动方程联立并线性化求解,在满足 (ω R₀)/c << 1 的前提下,得到了描述含气泡液体对声波传播的衰减系数和传播速度. 通过数值分析发现,在驱动声场频率一定的情况下,气泡含量的增加及气泡的变小均会导致衰减系数增加和声速减小;气泡的体积分数和大小一定时, 驱动声场频率在远小于气泡谐振频率的情况下,声速会随驱动频率的增加而减小; 气泡间的声相互作用对声波传播速度及含气泡液体衰减系数的影响不明显.最终认为气泡的大小、 数量和驱动声场频率是影响声波在含气泡液体中线性传播的主要因素. 关键词： 含气泡液体 线性声波 声衰减系数 声速     

Calculation of shock wave propagation in water containing reactive gas bubbles

The entry of a shock wave from air into water containing reactive gas (stoichiometric acetylene–oxygen mixture) bubbles uniformly distributed over the volume of the liquid has been numerically investigated using equations describing two-phase compressible viscous reactive flow. It has been demonstrated that a steady-state supersonic self-sustaining reaction front with rapid and complete fuel burnout in the leading shock wave can propagate in this bubbly medium. This reaction front can be treated as a detonation-like front or “bubble detonation.” The calculated and measured velocities of the bubble detonation wave have been compared at initial gas volume fraction of 2 to 6%. The observed and calculated data are in satisfactory qualitative and quantitative agreement. The structure of the bubble detonation wave has been numerically studied. In this wave, the gas volume fraction behind the leading front is approximately 3–4 times higher than in the pressure wave that propagates in water with air bubbles when the other initial conditions are the same. The bubble detonation wave can form after the penetration of the shock wave to a small depth (~300 mm) into the column of the bubbly medium. The model suggested here can be used to find optimum conditions for maximizing the efficiency of momentum transfer from the pressure wave to the bubbly medium in promising hydrojet pulse detonation engines.     

水泵水轮机空载开度压力脉动特性预测

为了解水泵水轮机非同步导叶启动过程空载开度下的压力脉动特性,优化机组的性能提高并网成功几率,采用RNG k-ε模型对水泵水轮机非同步导叶空载点进行模拟,并对内部流场和压力脉动特性进行了分析。结果表明,转轮与活动导叶之间的压力脉动由叶片通过频率央定,尾水管涡带的周期性旋转导致尾水管进口呈现低频压力脉动,压力脉动幅值最大处位于预开启同步导叶与转轮之间。     

垂直圆管内向上稀疏层流泡状流相分布的实验研究

采用三维照相法对垂直圆管内稀疏层流泡状流充分发展段的相分布进行了实验研究。得到了８个流动工况下均匀尺寸气泡形成的泡状流的空泡率分布以及６个流动工况下非均匀尺寸气泡形成的泡状流的总体和大、小气泡组各自的空泡率分布．实验结果表明当气泡组的平均直径小于约３．５ｍｍ时,其空泡率分布在管壁附近出现尖峰;当气泡组的平均直径大于约 ３．５ ｍｍ时,其空泡率分布的尖峰移向管中心;气泡尺寸对泡状流的相分布有重要影响．