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．      

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。     

气液两相涡街稳定性的研究

通过气液两相涡街试验研究和理论分析，首次得出了当有稳定的气液两相涡街发生时，气液两相涡街结构参数的取值及变化规律     

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.      

压力梯度对边界层两相流动稳定性的影响

分析了有压力梯度的边界层两相流动稳定性,推导出类似于Saffman理论的修正的稳定性方程,数值计算采用高精度的谱方法。结果说明,压力梯度对边界层两相流动稳定性有显著的影响,顺压梯度增强流动稳定性,而逆压梯度则促进流动失稳。在不同的压力梯度和浓度下,Stokes数对流动稳定性的影响是一致的,存在一个临界Stokes数,小Stokes数促进流动失稳,而大Stokes数则提高临界雷诺数,抑制流动失稳的最佳Stokes数为10的量级。     

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.     

应用耗散结构理论研究两相流动不稳定性的探讨

本文论证指出:两相流动动力学不稳定性是一种耗散结构。这一结论将非线性非平衡态热力学引入了两相流动不稳定性研究之中,从而阐明了不稳定性发生的原因和机理,并且找到了两相流动不稳定性的直接判据——超熵(1/2δ~2s)(它是非线性非平衡系统的Lyapounov函数)。本文得出了线性非平衡区的判别式和非线性区的一些初步结果,并阐述了在实际应用中对两相流动不稳定性进行判别的具体步骤及本文方法的优越性。     

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。     

激光多普勒测速技术在气液两相流中的应用

本文采用激光颗粒动态分析仪(PDA)测量了钢包底部喷吹气液两相流中气泡的直径和气泡上升速度的分布;采用激光多普勒测速仪(LDA)测量了气液两相区和液体单相循环区液体速度场的分布。测量结果表明:气泡在脱离喷嘴上浮一定距离后,其大小基本保持不变;在气液两相区中,气泡速度和液体速度的分布均服从高斯分布;液体在单相区作循环流动,在侧壁与底部交接处,存在液体流动的“死区”。     

关于线粘弹性动力学中各种变分原理

本文提出一条简单而统一的新途径,系统地建立了线粘弹性动力学中各种简化Gurtin型变分原理,文中首先给出一个很有用的以卷积表示的积分关系式,然后从该式出发,系统地导出成互补关系的五类变量、四类变量、三类变量、二类变量及一类变量简化Gurtin型变分原理,并清楚地阐明它们之间的内在联系,而且,还发现当前在国际上有广泛影响的力学变分原理方面的名著[1]及文[2]中,所给出的四个变分原理的泛函式均有误.本文除给出这四个正确的泛函式外,还建立了一些新的更一般广义变分原理。     

圆柱薄壳稳定性的一个修正理论

著名的唐乃尔(Donnell)——穆什塔利的简化壳体理论只能较精确地适用于较短圆柱壳稳定性计算.其近似性误差随长度与半径之比的增加而增大.本文考虑了横向切力的影响,对非完善型圆柱壳体推导了几何非线性理论的基本方程,建立了对各种长度半径比的圆柱壳体稳定性均适用的修正理论.     

竖直管道中固-液两相流动流态化实验探讨

主要探讨竖直管道中不同颗粒级配、流体流速条件下的固-液两相流动的流态化规律.首先通过量纲分析获得关键控制参数,然后以玻璃珠(粒径:0.25mm~2.0mm)、粉细砂(d10=0:044mm)两种固体和水为实验介质,开展了两相流动流态化实验,考虑流体流速(相对于管道雷诺数介于640~3300之间)和颗粒级配的影响.通过分析发现:具有均匀粒径分布的玻璃珠床,床层膨胀高度随流速的增加而增加,流速与浓度的对数呈线性关系,与Richardson-Zaki公式一致;具有较宽粒径分布的粉细砂,细颗粒随水流逐渐流出管道,剩余颗粒质量与雷诺数呈指数递减趋势.     

交通流理论的研究进展

交通难已成为困扰大中城市发展的普遍问题,亟待发展有效的交通流理论来指导这一问题的解决。本文从交通流的动力分析和交叉口延滞模型两大方面评介交通流理论研究进展和现状,列举了有关的数学、力学模型,分析了它们的效用与不足之处。      

用三维弹性力学方法研究圆板的稳定问题

用三维弹性力学方法研究任意边界条件圆板的轴对称稳定问题，利用Ｈ变换和Ｓｔｏｃｋｅｓ变换，导出位移函数及其偏导数的一种新型双重极数式，并由数学弹性定理论的基本方程和边界条件建立的特征方程，求得最小临界载荷的精确解，文末以简支圆板为例进行数字计算，结果表明：在弹性失稳范围内，三维弹性力学方法求得的临界载荷略低于经典理论的结果，对于薄板的弹性稳定问题，经典板理论有足够的精度。     

Koiter稳定理论及其应用

本文介绍了Koiter稳定理论的特点、基本内容、应用和发展情况,讨论了这一理论在结构屈曲研究中的重要意义和应用前景      

NUMERICAL PREDICTION OF TWO-PHASE FLOW IN BUBBLE COLUMNS

A numerical model is described for the prediction of turbulent continuum equations for two-phase gas–liquid flows in bubble columns. The mathematical formulation is based on the solution of each phase. The two-phase model incorporates interfacial models of momentum transfer to account for the effects of virtual mass, lift, drag and pressure discontinuities at the gas–liquid interface. Turbulence is represented by means of a two-equation k–ϵ model modified to account for bubble-induced turbulence production. The numerical discretization is based on a staggered finite-volume approach, and the coupled equations are solved in a segregated manner using the IPSA method. The model is implemented generally in the multipurpose PHOENICS computer code, although the present appllications are restricted to two-dimensional flows. The model is applied to simulate two bubble column geometries and the predictions are compared with the measured circulation patterns and void fraction distributions.