对流梯形微通道内气液两相流动的数值研究

采用VOF方法,对梯形微通道内不可压缩气液两相流动进行了数值模拟研究,详细分析了气泡形成过程,以及当量直径、截面形状、液体表面张力和粘度等对气泡液柱形成过程和长度的影响,拟合出微通道气泡液柱长度计算公式。结果表明:气泡液柱的长度受表观气速和表观液速的影响较大;表面张力对气泡尺寸的影响较小,当液体粘度增加为水粘度的10倍时,形成的气泡形状不规则。增大表面张力,形成气泡的时间增加;增大粘度,形成气泡的时间减小。     

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。     

细通道内气液段塞流的流体力学数值模拟

为研究细通道内气液段塞流的流体力学性质,对细通道内空气和水两相段塞流进行了数值模拟。以直径为1.6 mm的错流T型管为模型,使用计算流体力学(CFD)研究了气液流速、液相粘度和表面张力以及入口结构对段塞形成的影响,确定了气塞长度与两相流率、液相粘度和表面张力有关。气塞长度随分散相流率和表面张力的增大而增大,随连续相流率增大而减小;液相粘度在低液速时对段塞长度有较大的影响;确定了段塞形成的挤压和剪切关联式。     

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。     

扰流柱结构微反应器内两相流动及性能强化

对具有扰流柱结构的微通道反应器内气液两相弹状流动进行了可视化实验研究。利用微粒子呈像测速技术(Micro-PIV)对微通道内两相流动流场进行在线测量;在不同气液流量条件下,研究了气弹经过扰流柱区域时气弹长度及气弹运动速度的变化规律,并对比了不同结构微通道内硝基苯催化加氢反应生成苯胺的产率。结果表明:具有扰流柱结构的微通道内速度场分布与无扰流柱微通道有较大区别;气弹经过扰流柱结构时气弹长度及气弹运动速度增加,并在扰流柱区域内出现震荡式波动;具有扰流柱结构微通道内进行的硝基苯催化加氢反应,其苯胺产率高于无扰流柱结构微通道。     

矩形微通道中气–非牛顿流体两相流实验研究

本文通过实验研究了空气与非牛顿流体在小尺寸矩形微通道中的两相流动特性,给出了在不同气液两相流速下的流型图。同时比较了气液两相流速,液相黏度,表面张力,微通道尺寸对各流型分布区域以及Taylor气泡/液柱长度的影响。发现气液两相流流速变化对流型区域的影响极为明显,而黏性力和表面张力只是在局部范围改变了流型分布。Taylor气泡长度随气液两相流速比增大而增大,随液相黏度及表面张力增大而减小。液柱长度随液相黏度增大而增大,随两相流速比及表面张力增大而减小。最后,我们给出了基于无量纲数JG/JL,Re和Ca的Taylor气泡/液柱长度预测公式,公式预测结果与实验结果基本一致。     

微通道内气液Taylor流网格局部加密数值模拟

采用VOF模型和局部非均匀加密的网格划分方法对交错T型微通道内Taylor流进行了数值模拟。模拟结果表明,较之常见的均匀加密方法,局部非均匀加密方法使得计算时间节省,并且实现了对气液两相界面的精确捕捉,利于后期的对液膜厚度对传热等方面的数据处理分析。此外,还研究了接触角和毛细管数对流型的影响。θ90°时,气泡和液柱长度与接触角呈凹函数关系,但总体影响较小。但当θ90°时气泡生成周期会明显增大。同时,通过观察液膜还发现毛细管数越大液膜越厚。     

水平微圆管内环状流气液界面不稳定性分析

本文以水平微圆管内气液两相环状流气液界面为研究对象,通过分析重力、表面张力和界面剪切力对环状流液膜厚度的影响,重点考虑Rayleigh不稳定性对气液界面的依存关系,得到了不同管径和气核直径变化时不稳定性的变化规律,并分析拟合了最危险波长和气核直径的关联式,为后续建立高热流密度条件下微通道内强化传热理论模型奠定基础.     

T型正弦微通道内气液两相流动的数值研究

在T型微通道的基础上,对其结构进行改造,提出了一种T型正弦波节微通道,并构建了微型气液反应装置。运用CFD方法,数值研究了微通道内的气泡形成过程及气液分布情况,拟合出了计算T型微通道内气泡液柱尺寸的关联式。结果表明:T型正弦波节微通道内的气泡形成机制与常规T型微通道相同,为挤压机制,颈部断裂过程经历的时间较常规T型微通道稍长。该结构类型的正弦波节微通道与常规平直圆管相比,当量直径增大了50%,气液接触面积相应增大了25%,有效地提高了传质效率。     

微液膜动力学特性与稳定性实验研究

气-液两相流设备的性能受限于临界热流密度,开展流动微液膜动力学特性及其稳定性的相关研究是深入理解沸腾危机及临界热流密度机理的关键。采用光学玻璃制成的矩形通道作为实验段,使用微流量齿轮泵驱动去离子水,使其在实验通道入口处与在其上部流动的压缩空气接触形成同向流动的分层流。利用共轭光学探测器对流动微液膜的厚度进行了测量,利用高速摄像机对气-液两相分层流波动特性进行了可视化观测。研究表明,在绝热情况下,当液速一定时,液膜的平均厚度随着气速增加而减小,当气速增加到某一阈值时会导致液膜破裂。     

方管两相流中微液膜的测量与分析

在微通道流动沸腾换热中,微液膜的蒸发对其起到了至关重要的作用,本文探究了0.6 mm方管在气液两相流条件下的液膜厚度变化,实验通过激光共聚焦位移计测量液膜厚度和高速相机采集图像,实现了同步测量。实验发现,当气泡速度小于1.27 m/s时,液体会集中在方管的四角,不会形成液膜;当气泡速度为1.21～2.71 m/s时,会在管壁形成液膜,液膜的变化呈阶梯式,并且随着气泡速度增大而增大;当气泡速度大于3.21 m/s时,流型会转变为环状流,液膜厚度会开始出现振荡。     

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.     

垂直管中气液两相流传热研究

鼓泡塔和气升环流反应器是化工中常用的反应设备。由于气液两相的扰动,其传热系数可比单相流大20～100倍,特别适用于进行某些强放热的化学反应。由于塔径较大,其两相流流型及传递特性均与管径较小的管道中的两相流有所不同。实践证明,当塔径大于100mm时,其传递特性不再受塔径的影响。本研究中我们对液相粘度和表面张力对传热的影响进行了细致的考察,并且还将气速和液速扩大到较一般文献更大的范围。     

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。     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

无泵吸收制冷系统气泡泵的性能分析

根据两相流流型转换理论,推导出了气泡泵从弹状流向泡状流转变和从弹状流向块状流转变时液体流量、气体流量与管径的关系式;根据空气提升理论、能量平衡、质量平衡推导出了气泡泵的性能关系式。根据上述关系式,具体分析了爱因斯坦制冷循环工况下气泡泵的性能,分析结果表明,在弹状流下限、大的沉浸比时液体循环量较大。     

水平管道段塞流液塞速度实验研究

本文在水平长环道上采用电导探针互相关测速技术实验研究了液塞速度,给出了液塞速度与气液混合速度的关联式。研究表明,在低Froude数和高Froude数时液塞速度分别对应不同的关联式。实验结果与文献报道比较表明,在低 Froude数区很好吻合;在高Froude数区,实验结果高于其他研究者的数据。分析表明,液塞速度不受尾波效应影响,主要受液塞和长气泡长度以及液塞含气率作用。在低Froude数区,上下游探针测量的液塞和长气泡长度以及液塞含气率差别较小,因此液塞速度关联式一致;在高Froude数区,液塞和长气泡平均长度以及液塞含气率沿管增大,因此上下游的关联式不一致。     

正方形小通道内的非牛顿流体-氮气两相流动流型的实验研究

对水力直径为2.5 mm的正方形小通道内的非牛顿流体-氮气的垂直向上两相流动流型进行了可视化实验,工质分别为:浓度0.2%的聚丙烯酰胺(PAM)和0.2%的黄原胶(XG)水溶液,表观气速0.1～100 m/s,表观液速0.01～6 m/s.观察到的典型流型有:弹状流、搅拌流、弹环状流和环状流,其中弹环状流未见于水-空气上升流动.在PAM-氮气实验中发现了一种新流型-泡状-弹状流.通过流型图对比,发现非牛顿流体的搅拌流区域较牛顿流体窄,弹状-搅拌流转变线也明显右移,非牛顿流体的黏性对流型转变的影响较大.     

小通道气液两相流电容测量方法研究

本文设计了一套用于小通道气液两相流的电容测量系统,并对内径为1.6 mm、2.5 mm和3.6 mm的玻璃管气液两相流进行了实验研究.文中首先对电容方法在小通道下的应用做了探索性尝试,设计了用于小通道气液两相流的电容传感器;然后利用所设计的电容传感器对小通道气液两相流弹状流电容动态数据进行采集、处理和分析;最后利用相关原理对气弹速度的测量进行了研究.研究结果表明所提出的电容方法可用于小通道气液两相流的分析研究中,是一种有效的小通道气液两相流参数检测手段,并为小通道两相流检测的研究提供了一定的借鉴.     

水平管内气液两相流中单气泡形态特征实验研究

本文利用双平行探针技术和摄像方法对水平直管内气液两相流中单气泡的形态特征进行了实验研究。实验结果表明气泡头部和气泡体的形态特征取决于气液混合Fr数,而气泡的尾部特征还与气泡长度有关;气泡的头部结构特征决定气泡的移动特性,而气泡的尾部结构特征决定气泡向液塞区的充气特性:小气泡通过单纯水跃面的气泡尾部向液塞区弥散,而具有阶梯状尾部结构的气泡并不向随后的液塞区弥散小气泡,所以气泡尾部的结构特征的变化决定了弹状流与段塞流的转变。