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。     

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.     

段塞流液塞频率的波动特性

段塞流的实际物理过程是复杂的随机过程,液塞频率也仅是以周期性来近似模拟段塞流的间歇性.本文对段塞流液塞频率的波动特性进行了深入研究.结果表明:随着折算气速的增加,液塞频率先减小然后增大,在折算气速增大的过程中液塞频率存在一个极小值.随着折算液速的增加,液塞频率急剧增大,折算液速是影响液塞频率的主要因素.在下倾管中,在折算气速相同的情况下,液塞频率是随下倾角的增大而降低的.这是因为随着下倾角的增大,重力作用增强,液塞消散增强.在上倾管中,在折算气速相同的情况下,液塞频率也随上倾角的增大而降低.     

SPH方法气-液界面边界条件研究

针对界面附近粒子光滑函数截断和非物理穿透问题,提出一种气-液界面边界条件的处理方法.当界面附近支持域出现不同材料粒子,每步计算可在支持域设置虚粒子,按照密度分配方法给虚粒子物理量赋值,并对界面附近粒子引入气-液两相阻力.采用SPH方法和Level-Set方法,计算运动激波对气-液界面作用问题,两者计算结果一致,初步验证了气-液界面边界条件处理的适用性.用SPH方法分别计算超声速气流中的圆截面液柱绕流和下落问题,界面两侧粒子压力和法向速度连续,给出弓形激波、回流区和下游回流区等定性合理结果.表明本文方法可适度避免界面附近流体粒子光滑截断和粒子非物理穿透现象、界面附近流场数值振荡.     

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。     

倾斜下降管气液两相分层流截面含气率的计算与液层高度的预测

分层流是气液两相流中常见的流动型式，分层流中液层高度是计算的基本数据，由于界面波的存在，对液层的测量和预测都很困难．Ｖｌａｃｈｏｓ提出了预测气液两相分层流液层厚度的关系式，但这一关系式并不适用于倾斜下降管气液两相流．本文提出了计算倾斜下降管气液两相分层流截面含气率的理论模型，在这种模型下得到的截面含气率和实验结果符合良好．在大量实验的基础上，考虑了倾角、管径、气液各相折算速度的影响，根据实验数据提出了预测液层厚度的关系式。     

聚苯乙烯-聚丁二烯嵌段共聚物的固体NMR研究

采用我们前期发展的测定多相高聚物中界面相厚度及相区尺寸的NMR新方法对两种不同嵌段结构的聚苯乙烯-聚丁二烯嵌段共聚物进行了研究,并与关于界面相厚度的高分子物理理论结果进行对比. 该NMR方法采用偶极滤波-自旋扩散技术分别测定非界面相的柔性区与界面相中质子的百分含量,然后根据界面相与柔性相的几何关系计算界面相厚度. 研究结果表明这两种嵌段共聚物具有几乎相同的界面相厚度,该结果与Helfand等人关于多相高聚物中界面相厚度的自洽场理论预言基本符合.     

严重段塞流立管压差信号的周期特性分析

本文对集输-立管系统中低气液流速下的气液两相流动特性进行了研究,结合概率密度函数(PDF)和功率谱密度分布(PSD)方法获得了气液流速对严重段塞流周期特性的影响规律.其中第一类严重段塞流立管压差信号的PDF与PSD分布均呈明显的单峰结构,PDF峰值为液塞流出时间在整个段塞周期内的占比,PSD主峰频率的倒数为压差波动信号的周期.分析发现表观液速一定,表观气速的增加会导致整个段塞周期与液塞流出时间占比的迅速减小;而表观气速不变表观液速的增加只会减小段塞周期,不会对液塞流出时间的占比产生较大影响.     

广义等温等压系综-分子动力学模拟全原子水的气液共存形貌

探测相变过程中瞬时共存相的形貌等特征对理解其微观机制十分重要.本文应用广义等温等压系综-分子动力学模拟方法,研究全原子水模型的气液两相平衡及相变的中间过程.研究发现,此广义系综方法能够通过持续降温,连续地历经从气态、气液共存到液态的整个相变过程,通过持续升温历经其相反过程,而不会发生标准正则系综中的过饱和热滞现象.该方法不需要使用副本交换等增强抽样方法,因此可以用于较大体系的研究,多个独立的模拟即能获得整个气态液态区的平衡性质及共存相特征.本文还提出了计算气液共存界面面积的新方法,给出了水的气液共存界面形状随温度、压强的变化规律.结果表明,低压时水的气液共存界面因其较大的表面张力而接近球面,符合经典成核理论的描述,但随着压强升高接近其临界压强时,气态和液态的差别减小,界面的表面张力变小,界面形状变为无规则的枝杈结构,表现为二阶相变特征.     

表面活性剂对倾斜上升气液两相流流型的影响

应用电导断层测量技术研究表面活性剂添加对倾斜上升气液两相流流型的影响,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,当倾角较小时(2.5°和5°),添加少量纯度为95％的SDS到空气/水两相流系统,可以推迟了分层流型向环状流型的转换,使其发生在较高的气体流速条件下;与水平流动的实验结果类似,在本文的实验条件下没有观测到表面活性剂对塞状流型、弹状流型转换特性的影响。随着倾角的增大(10°),表面活性剂添加对气液两相流流型的影响更为显著,在空气/水气液两相流系统中没有观测到分层流动,而加入表面活性剂后在一定范围内存在分层流动。     

竖直环形通道内液氮流动沸腾的MUSIG模型分析 第二部分:径向气泡直径和界面面积浓度的预测

由于考虑了气泡的破裂和聚合,同两流体模型相比,MUSIG模型(多尺寸组模型)能更准确地描述流场内气泡直径。采用MUSIG模型详细分析了不同壁面热流量,液体入口速度,过冷度以及不同管道高度时通道内气泡相界面面积、当地气泡直径、空泡系数等参数沿径向的分布。分析结果表明,MUSIG模型可用来预测泡弹状流型转变区的流动参数,也即该模型拓展了两流体模型的使用范围。     

浓度边界层中成长汽泡的界面特性

对于双组分池内核态沸腾，热边界层中生成的汽泡，同时也处于浓度边界层中．本文建立了边界展中汽泡表面张力模型，对温度和浓度引起的表面张力变化进行分析．结果表明，表面张力从汽泡顶部到底部是递增的，从而形成液体沿界面自上而下的Marangoni流．通过汽泡底部微层相界面方程的求解，探讨了微层变形特征，由此分析汽泡脱离机理．微层变形与文献[1]中指出的接触线的变化从本质上是一致的．     

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。     

水平管气液段塞流流量瞬变特性模拟研究

以Taitel 和Barnea(1998,1999)提出的段塞流跟踪模型为基础,进一步考虑加速压降的影响,建立了新的瞬态段塞流跟踪模型,并采用面向对象技术编制了数值模拟软件,实现了数值跟踪。计算结果与King等的段塞流气体流量瞬变实验数据对比表明,瞬态跟踪模型较好地预测了气体流量上升造成的段塞流压力“过升”现象,以及长液塞的出现;当气体流量下降时出现的压力“过降”现象和短暂分层流现象也由模型准确预测,分析认为,由于段塞流压降远高于分层流型,因此大部分液塞消失而出现的短暂分层流导致了压力过降。     

High Speed Visualization and Dynamic Measurement of Heat Driven Pumps

We provide the high speed flow visualization and dynamic measurement results for the U-shaped and the inverted U-shaped heat driven pumps. The U-shaped heat driven pumps at the high heating powers consist of a succession of tiny bubble nucleation, growth and coalescence process. Once the “larger” spherical bubble or the bubble slug forms, it expands quickly in both upstream and downstream directions. The increased pressure leads to the liquid discharge through the outlet check valve. When the advancing vapor/liquid interface reaches a higher position in the vertical discharge branch, the condensation heat transfer in the discharge branch shrinks the bubble slug, leading to the decreased pressure and initiating the open of the inlet check valve. Thus the fresh liquid can be sucked into the system. Heat driven pumps operating at the low heating powers display the similar process. However, two major differences are identified: (1) A full cycle includes a set of positive pressure pulses corresponding to a set of tiny bubble nucleation, growth and coalescence process in each substage. Only at the end of the cycle, an apparent negative pressure pulse is created. (2) For each substage in each cycle, when the newly formed bubble slug is chasing the ahead “old” bubble slug, the deformed liquid bridge is formed due to the gravity force effect. When the two bubble slugs are merging together, a wave vapor/liquid interface occurs along the bottom of the capillary tube. For the inverted U-shaped heat driven pumps, there are fewer positive pressure pulses included, corresponding to lesser number of new bubble nucleation, growth, and coalescence process. The bubble slug in the capillary tube is very standard with the smooth vapor/liquid interface. The cycle periods and the pumping flow rates are given versus the heating powers.     

Flow of an electrically conducting bubble liquid in the field of an electromagnetic force

Physical processes accompanying the flow of a conducting bubble liquid in crossed electric and magnetic fields are considered. Based on the general equations of mechanics of multiphase media, we develop a one-dimensional model of the flow of and heat exchange in a compressible bubble liquid when the phases are not in thermal and velocity equilibrium. The model is numerically investigated. It is demonstrated that, when the bubble liquid flows along the electromagnetic force vector, the bubbles lag behind the carrying flow and are compressed and warmed up. This causes oscillations of the bubble volume, as well as oscillations of the parameters of both the disperse and carrying phase. In particular, the compression of the bubbles reduces the volumetric gas content, as well as increases the effective conductivity of the flow and the electromagnetic force in the downstream direction. This sets conditions for crisis of the bubble flow when the electromagnetic force expels the bubbles against the main stream. On the basis of the solutions obtained, the efficiency of a gas compressor is calculated.     

微重力下凝结和沸腾着的汽泡周围流场

1引言尽管对沸腾换热已有大量的研究，但对沸腾过程中驱动汽泡外流动的机理仍没有透彻理解，通常认为，汽泡外流动是由液体自然对流引起的。但是，近来的微重力实验表明［‘］；在没有自然对流的微重力场中，沸腾换热同样很剧烈。为了弄清正常重力和微重力环境中驱动换热的机理，很有必要作进一步的研究。本文数值分析了微重力环境下驱动壁面汽泡周围液体流动的基本机理，深入分析了Marangoni效应的影响，同时考虑表面凝结和蒸发过程的作用。2理论模型汽泡外流动可由二维层流N－S方程及烙方程来描述，流动是由Marangoni边界条件驱动，该条…     

枝晶生长和气泡形成的数值模拟

本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.     

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。     

表面活性剂浓度对球形气泡界面和尾流的影响

发展了一种研究气泡界面污染程度的数值模型,并用其对流场中不同表面活性剂浓度下、上浮气泡的界面参量和周围流场进行了模拟研究。该模型假设吸附于气泡界面的表面活性剂分布在毗邻气液界面的薄吸附层中,且气泡界面上表面活性剂的吸附与解吸过程也发生于此;界面切应力为界面浓度的函数。研究发现:气泡界面的流动性会因表面活性剂的吸附而降低,该现象会增大气泡周围流域中切向速度在界面法向上的变化量,从而对界面性质和周围流场产生影响;由于对流的作用和吸附-解吸动态平衡的存在,气泡前部界面不完全干净,且受污染界面的流动性也不完全为零。