水平管内气液两相螺旋流实验研究

为研究水平管内气液两相螺旋流的流动特性,开展了以空气和水为实验介质,含气率为10％～90％,气相折算速度为0.01～3.4m/s,液相折算速度为0.05～2.7m/s的气液两相螺旋流实验.利用高速摄影机记录并参考借鉴相关研究结果分析和划分了不同工况下的流型;给出了水平管内气液两相螺旋流的流型图;研究了不同流速、不同起旋参数对流动特性(压降、流型衰减、螺距、螺旋直径以及流型转换边界等)的影响.实验结论如下:将水平管内气液两相螺旋流的流型划分为螺旋波状分层流、螺旋泡状流、螺旋团状流、螺旋线状流、螺旋轴状流、螺旋弥散流6种;将绘制的流型图与经典Mandhane流型图进行对比,出现了线状流、弥散流和轴状流3种新的流型;泡状流的分布基本不变,层状流的分布发生变化,当气相流速在2m/s以内时是线状流和轴状流,而不是层状流;随着液相流速的提高,管内两相流动的损失逐渐变大,流型的衰减程度变弱,螺旋扭矩逐渐变大,螺旋直径逐渐变小.另外,随着叶轮角度的增大或者随着叶片面积的减小,流型转换边界均向进气量增大的方向推移.而当进气量一定时,随着叶轮角度的增大或者随着叶片面积的减小,同样流型转换边界趋于进水量增大的方向.最后,随着起旋角度的增大或者随着叶片面积的减小,压降均有逐渐变大的趋势.     

欠平衡钻气井零液流气提模拟实验及压降规律

建立总高18m、外管内径90mm、内管外径50mm的环空可视化实验装置,进行不同注气量、不同持液率条件下的井筒气提零液流可视化实验;在小气量条件下得到了泡流流型,在高气量条件下得到了搅动流流型。研究结果表明:由于中心管柱的偏心,在流型流态上泡流迅速向搅动流转变;以实验数据为基础,建立该特殊工况下的流型划分标准、压降和持液率数学模型,其结果与实验吻合较好。     

T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素

基于液滴或气泡的多相微流控是近年来微流控技术中快速发展的重要分支之一.本文利用高速显微摄影技术和数字图像处理技术对T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素进行实验研究.实验采用添加表面活性剂的海藻酸钠水溶液作为液相,空气作为气相.研究T型微通道反应器内气液两相流型的转变过程,并根据微通道内气泡的生成频率和生成气泡的长径比对气泡流进行分类.研究发现当前的进料方式下,可以观测到气泡流和分层流2种流型,且依据气泡生成频率和微通道内气泡的长径比可将气泡流划分为分散气泡流、短弹状气泡流和长弹状气泡流3种类型,并基于受力分析确定3种气泡流的形成机制分别为剪切机制、剪切-挤压机制和挤压机制.考察不同液相黏度和表面张力系数对不同类型气泡流范围的影响规律.结果表明:液相黏度相较于表面张力系数而言,对气泡流生成范围影响更大.给出不同类型气泡流流型转变条件的无量纲关系式,实现微通道生成微气泡过程的可控操作.      

关于气液两相流流型及其判别的若干问题

气液两相流体系是一个复杂的多变量随机过程体系,流型的定义、流型过渡准则和判别方法等方面的研究是多相流学科目前研究的重点内容.本文就与气液两相流流型及其判别有关的研究状况进行了回顾和评述,力图反映近年来气液两相流流型及其判别问题研究的状态和趋势.      

微重力条件下气/液两相流流型的研究进展

气／液两相流流型是两相流研究领域最基本的课题之一,至今已有数十年的研究历史．但是,由于气／液两相流动现象极为复杂,目前还没有得到一致的结论．近十多年来,利用微重力环境减弱甚至完全消除重力的影响,简化流动中各种不同因素间的相互作用及流型特征,大大促进了对气／液两相流动特征及流型产生与转换机理的研究．同时,微重力条件下的气／液两相流动是空间技术领域必须解决的关键技术问题之一,具有重要的学术意义和重大的应用价值．本文简要总结了微重力条件下气／液两相流流型研究的基本方法以及实验结果和理论进展,指出今后研究中应该注意的一些方向．      

可降解性表面活性剂体系下水平管内气液两相螺旋流实验研究

通过气液两相螺旋流实验仪器,研究具有可降解性的天然椰子油新型添加剂对于气液两相螺旋流流型影响以及流型的转变规律,并与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)进行对比研究。实验工况设定为:实验介质为空气和水,含气率10%~90%,气相折算速度0.01~4.0m/s,液相折算速度0.01~4.0m/s,表面活性剂采用从植物提取的可降解性椰子油和SDBS,起旋装置为叶轮。实验观察到天然椰子油对于螺旋轴状流、螺旋团状流、螺旋弥散流转换特性的影响与SDBS的效果相类似,该三种流型发生条件相比于以往都有所提前,且存在范围被拓宽。浓度为500ppm时椰子油体系下的主要流型为螺旋弥散流,而SDBS体系下则以螺旋团状流为主。     

T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素

基于液滴或气泡的多相微流控是近年来微流控技术中快速发展的重要分支之一.本文利用高速显微摄影技术和数字图像处理技术对T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素进行实验研究.实验采用添加表面活性剂的海藻酸钠水溶液作为液相,空气作为气相.研究T型微通道反应器内气液两相流型的转变过程,并根据微通道内气泡的生成频率和生成气泡的长径比对气泡流进行分类.研究发现当前的进料方式下,可以观测到气泡流和分层流2种流型,且依据气泡生成频率和微通道内气泡的长径比可将气泡流划分为分散气泡流、短弹状气泡流和长弹状气泡流3种类型,并基于受力分析确定3种气泡流的形成机制分别为剪切机制、剪切–挤压机制和挤压机制.考察不同液相黏度和表面张力系数对不同类型气泡流范围的影响规律.结果表明:液相黏度相较于表面张力系数而言,对气泡流生成范围影响更大.给出不同类型气泡流流型转变条件的无量纲关系式,实现微通道生成微气泡过程的可控操作.     

微重力气液两相流动与池沸腾传热

综述了近年来中国科学院微重力重点实验室(国家微重力实验室)完成的一系列微重力气液两相流动与池沸腾传热方面的地基实验、飞行实验和理论研究等方面获得的主要成果.在微重力气液两相流动方面,提出了半理论Weber数模型用于预测微重力条件下气液两相弹-环状流转换,并采用Monte Carlo方法,针对气泡初始尺寸对泡-弹状流转换的影响进行数值研究.通过俄罗斯"和平号"空间站与IL-76失重飞机实验,获得了微重力下的气液两相流型图,与此同时在地面利用小尺度毛细管模型模拟了微重力气液两相流动特征.实验测量了微重力气液两相流压降,并基于微重力流动特性建立了一个泡状流压降关联模型.在微重力池沸腾传热方面,利用我国返回式卫星完成了两次空间实验,其中,第22颗返回式卫星搭载铂丝表面R113池沸腾实验采用控制温度的稳态加热方式,而实践8号育种卫星搭载平面FC-72池沸腾实验则采用控制加热电压的准稳态加热方式.同时,还进行了地面常重力和落塔短时微重力条件下的对比实验研究.观察到丝状加热表面微重力时轻微的传热强化现象,而平板加热表面微重力核态池沸腾低热流时传热强化、高热流时传热恶化.微重力实验中观察到气泡脱落前存在横向运动现象,据此分析了气泡行为与传热之间关系,并提出了一个预测丝状加热表面气泡脱落直径的半理论模型.旨在对相关领域的进一步发展和空间两相流系统的应用提供数据及理论支持.     

垂直上升管内油—气—水三相弹状流压力降的研究

给出一种垂直上升油－气－水三相弹状流压力降的计算模型。该模型考虑弹状流中Ｔａｙｌｏｒ气泡周围下降液膜的变化历程。通过油－气－水弹状流的实验研究发现，该模型的数值模拟结果与低压工况下的实验值符合得较好。本模型是计算垂直油－气－水三相弹状流中液相的连续相为水相时的压力降的有效方法。     

不同重力下90°弯管内气液两相流流型及流动特性研究

研究了不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型分布形态及流动特性. 通过建立90°弯管内气液两相流流动的三维数学物理模型,采用VOF 方法,对10-6g₀, 10-4g₀, 10-2g₀, 1g₀ (g₀= 9.8m/s2) 重力下的90°弯管内气液两相流流型分布特征、截面空隙率、滑速比及气相尾部最大斜向角进行了比较分析. 研究结果表明:所建立的模型能够正确模拟不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型和截面空隙率,并得到气液两相弯管二次流与单相二次流的不同特性. 随着重力水平的提高,90°弯管对气相流型的影响作用减弱,气相整体向弯管内侧积聚靠拢,弯管对尾部的斜向作用减弱.      

垂直下降管中两相流的流型以及液相粘度对流型的影响

对空气－油在垂直下降管中的流型进行了实验研究，采用的管径为２９ｍｍ，油和空气的折算流速分别达到４ｍ／ｓ和２０ｍ／ｓ，并借助于压降脉动分析和目测观察相结合的方法来进行流型的识别。研究表明，油气两相流的流型不同于低粘液体的两相流流动，通过实验研究并结合前人的研究成果，给出了液相粘度对流型转变的影响趋势。     

汽(气)液两相流流型在线识别的研究进展

综述了根据参数波动过程实现气液两相流流型在线识别的最新研究成果,内容包括两相流参数波动的产生机理,小波分析的应用,两相流参数波动过程的特征提取和特征分析,流型在线识别的特点及各种实现方法等。重点介绍了两相流参数波动过程的统计和非线性特征分析及其与流型之间的关系。深入讨论了流型神经网络识别方法及其存在的问题。从波动参数的选择、数理解释、流型识别方法等不同方面对研究进展进行了讨论。      

水平管气液两相间歇流含气率研究

对大直径水平管内气液二相流动进行了实验，实验结果表明大直径水平管与小直径水平管具有不同的气液二相流动特征。分析和提出了适用于大直径水平管内间歇流液弹含气率模型，其计算值与实验值非常接近。     

线性稳定性理论在圆管充分发展两相流型研究中的应用

圆截面光滑直管内充分发展的两流体同心环状流的线性稳定性研究不仅具有重要的学术意义,而且在预测两相流型转换方面也有着重要应用.本文评述了该流动构型的线性稳定性研究进展,着重分析了该流动构型的失稳机制及其与两相流型转换间的关系,并针对微重力气-液两相流地面模拟实验问题,探讨了今后需要着重研究的若干方面.      

下倾管-立管水气严重段塞流数值模拟

针对海洋油气传输中常见的下倾管-立管系统, 采用Brackbill模型模拟气液相界面间表面张力, VOF方法追踪气液两相运动界面, 提出了管内气液两相流数值模拟方法. 在低气液相进口折算速度下, 数值模拟了该种管型下的严重段塞流动现象, 分析了相关物理参数的变化特性. 结果表明, 在严重段塞流下, 管内流型流态、压力、液塞运动速度、立管出口气液相平均速度、下倾管及立管内含气率等均具有明显周期性特征, 而且一个周期内严重段塞流可分为4个阶段, 进而给出了各阶段中相关参数的变化特性. 数值模拟结果与相关文献中的实验结果吻合良好,表明了该数值模拟方法的有效性.      

水平管内油——水两相流动压降规律的实验研究

设计和建造了内径为26．1mm,长30m的水平不锈钢多相流实验环道,利用白油与水进行了油－水两相流流型和压降实验。本文针对各种流型,分析了油－水两相流动的压降规律和油－水混合液有效粘度,指出有效粘度法只适用于油－水分散流型的压降预测,对于分层流型式其它混合流型使用合适该种流型的压降预测模型来计算压降。研究结论对油田现场的油水混输管路的经济运行具有较大的指导意义。     

气液两相流压力波传播速度研究

将双流体模型用于绝热无相的管道气液两相流,依据小扰动线化分析原理,导出了压力波波数Ｋ方程通过对不同空隙率下肉体上压力波小随角频率变化的计算,研究了虚拟质量力和狭义相间阻力对压力波波速及其人色散性的影响。对泡状流和弹状流压力波波速的计算结果与前人的测量结果作了比较,两者符合良好。     

气液两相流中旋涡诱发圆柱振动时的脉动升力研究

一定条件下 ,垂直上升矩形截面管内的气液两相流横向冲刷水平布置的圆柱时 ,圆柱在与来流垂直的水平方向上受到了脉动升力的作用。本文在 1.6× 10 4到 6 .0×10 4的 Re数范围和 0到 0 .32的来流含气率范围内 ,进行了实验研究。实验中 ,流体工质为由空气和水混合而成的泡状流 ,采用弹性梁 -电阻应变式小力值传感器来测量圆柱受到的脉动升力 ,利用计算机对传感器的输出信号进行连续采集 ,采集频率为5 0 0 Hz。对由实验得到的脉动升力数据进行自功率谱分析 ,得出在两相流中只有在小于 0 .10～ 0 .12的来流含气率范围内 ,圆柱后部才会形成涡街 ,且此时的 Strouhal数随来流含气率的增大而增大 ;由脉动升力数据的均匀方根值算出脉动升力系数 C′L发现小 Re数时 C′L 随来流含气率的增大而增大 ,而在大 Re时 C′L 随来流含气率的增大先稍下降后再增大。     

水气两相流中稀疏气泡流动速度场的数字图像测量初探

由空压机提供的气体通过—排微小直径的喷嘴进入静止水体，形成水气两相流流场。在单相PIV和PTV技术的基础上，研究稀疏气液两相流情况下气泡的速度场分布。PIV算法采用快速傅立叶互相关分析法，而PTV算法需要获得每幅图像中每个气泡的形心，根据连续图像中的粒子对，计算速度。用PIV和PTV两种算法处理求出气泡的速度并对两种方法进行比较，其最终研究成果可应用于流体及多相流的流量测技术，提高我们进行低密度气液两相流相关研究的测量水平。同时为水气两相流的数值分析和理论研究提供流场测试的数据。     

不同重力条件下管内冷凝现象研究进展

本文对不同重力环境中水平管内冷凝气液两相流动与传热现象的研究现状进行了全面评介, 重点关注于航天应用中的小管径、低流量和以氨为工质的情形,以及部分重力条件下冷凝现象中的重力效应. 冷凝现象中管壁四周液膜的存在,导致水平管内冷凝气液两相流与沸腾或绝热气液两相流在构型上存在着明显的不同, 表面张力的作用增大,向波状和分层流转换所对应的临界Bond数也随之增大, 进而使小管径、低流量水平管内冷凝气液两相流动与传热现象中的重力效应减弱,甚至可以忽略不计. 实验发现该情形中摩擦压降要小于基于常规气液两相流实验数据的经验关联式的预测结果, 而更接近光滑环状流情形; 对冷凝两相传热系数的预测,只有采用基于空隙率与界面剪切率相互耦合的模型, 才能够给出较好的结果.