T型微通道气液两相流流动与传热的数值研究

为进行微通道气液两相流动及传热研究,建立了T型微通道模型,利用VOF方法进行数值模拟,对弹状流流型进行了数值分析,考察了弹状流的形成过程、速度、表面张力和粘度对弹状流流型的影响,计算了气泡速度和液膜厚度,并与经验关联式进行比较。结果表明:液体粘度对弹状流的影响较大;而表面张力对弹状流几乎没有影响,当气速一定时,液速越大,气泡的长度越小而液柱的长度越大。气泡速度和液膜厚度与经验关联式的计算结果误差分别为2.57%和4.87%。     

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。     

工质对微通道沸腾液膜瞬态变化的影响

本文采用去离子水和无水乙醇两种工质,利用微通道流动沸腾同步测量实验系统,研究了液膜厚度的瞬态变化规律,实验发现流动沸腾形成的初始液膜厚度在毛细数Ca很宽的范围内都遵循Taylor流动原理;液膜形成后,在蒸发和蒸汽流动携带的耦合作用下,厚度迅速减薄直至蒸干;由于水的汽液黏度比小,速度梯度小,剪切作用带来的液膜厚度减少量小,且水的汽化潜热大,吸收相同热量时蒸发量小,导致水的液膜厚度变化斜率较小,通过理论分析提出了沸腾液膜厚度变化的计算模型,计算结果与实验结果的误差小于20%。     

基于欧拉壁面液膜模型的管内蒸汽冷凝流动和液膜特性的数值模拟研究

采用ANSYS FLUENT软件建立了基于欧拉壁面液膜模型的光滑管内蒸汽冷凝流动过程的三维数学模型。模拟管长为500 mm,内径为38 mm。模拟工况为入口蒸汽饱和温度分别为70℃,总传热温差为5℃和7℃,入口蒸汽速度为14²0 m/s。模拟结果表明,液膜厚度在管道底部随着流动距离的增加而增加,液膜厚度在管顶部先增大后趋于稳定,更大的蒸汽入口速度产生更高的液膜厚度。液膜流动速度在管道底部随着流动距离的增加而增加,液膜流动速度在管顶部先增大后缓慢降低,更大的蒸汽入口速度产生更高的液膜流动速度。     

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。     

低温开架式气化器表面结冰数值模拟

针对开架式气化器(ORV)建立4组不同海水液膜厚度下的换热管模型,基于Realizable k-ε及SolidificationMelting模型进行流固耦合传热计算,分析不同海水液膜厚度以及不同海水入口流速对换热管外海水结冰的影响。海水入口流速在0.5m/s~1m/s范围内变化时,海水入口流速越小,液膜厚度越薄,换热管外海水越易结冰;当液膜厚度为1mm、海水入口流速为0.5m/s时,结冰长度达到454mm。可见,换热管外海水结冰受液膜厚度与海水入口流速影响很大。海水从上往下流动过程中,换热管外海水结冰率逐渐增大,冰层逐渐增厚,且结冰重点区域位于换热管翅片缝隙及换热管连接处。因此在ORV实际运行中,为防止换热管结冰,应合理布置海水分布装置,并对换热管外翅片夹角、形状及换热管连接结构进行优化设计,以增强ORV传热效果。     

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。     

表面弹性和分离压耦合作用下的垂直液膜排液过程

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑表面弹性和分离压耦合作用的基础上,采用润滑理论建立了液膜厚度、表面速度和活性剂浓度的演化方程组,通过数值计算分析了表面弹性和分离压单独作用和耦合作用下的液膜演化特征.结果表明:表面弹性与分离压均对垂直液膜排液过程有显著影响.表面弹性单独作用时,液膜初始厚度随弹性增大,黑膜仅在液膜顶部形成,长度较短且不能稳定存在;分离压单独作用时,活性剂随流体不断汇集在底端,液膜表面无法形成表面张力梯度,不发生逆流现象;当二者耦合作用时,可得到较稳定的液膜,排液前期增加表面弹性可提高液膜的厚度、降低表面速度和促使液体逆流,从而减缓排液过程;后期出现黑膜后,分离压中的静电斥力起主要作用,延缓液膜"老化".     

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。     

分离压和表面黏度的协同作用对液膜排液过程的影响

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑分离压作用的前提下,引入随活性剂浓度变化的表面黏度模型,应用润滑理论建立了液膜厚度、活性剂浓度和液膜表面速度的演化方程组,通过数值计算分析了常表面黏度和变表面黏度情形下的液膜演化特征.结果表明:表面黏度是影响液膜排液过程的重要因素,当不考虑表面黏度时,液膜表面呈"流动"模式,反之呈"刚性"模式,且随表面黏度增加,液膜排液速率明显减缓.分离压对"黑膜"的形成至关重要,分离压单独作用时,其形成的"黑膜"长度较短,而只考虑表面黏度时,则不能形成稳定的"黑膜".而在二者协同作用下,液膜中部形成了向下扩展、厚度很薄但非常稳定的"黑膜",且"黑膜"厚度、出现时间均随表面黏度的增大而增加.当考虑活性剂浓度对表面黏度的影响时,表面速度受此影响显著;在形成"黑膜"长度及出现时间方面与相应常表面黏度的情形基本类似,但其"黑膜"厚度小于相应常表面黏度,故在液膜排液过程中更容易发生失稳.     

液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法对液滴撞击液膜过程进行了研究, 主要考察了雷诺数(Re)、韦伯数(We)、相对液膜厚度 (h) 以及表面张力 (σ) 等物理参数对界面运动过程的影响. 首先, 随着Re数和We数的增加, 可以明显观察到液滴撞击液膜过程中形成的皇冠状水花以及卷吸现象; 当Re数较大时, 液体会发生飞溅, 由液体飞溅形成的小液滴则会继续下落, 并与液膜再次发生碰撞. 其次, 当相对液膜厚度较小时, 液滴撞击液膜并最终导致液膜断裂; 然而随着相对液膜厚度的增大, 尽管撞击过程溅起的液体会越来越多, 但是液膜并不会发生断裂. 再次, 随着表面张力的增大, 界面变形阻力增大, 撞击过程中产生的界面形变也逐渐减弱. 最后还发现皇冠(由液滴溅起形成)半径r 随时间满足r/(2R) ≈ α√Ut/(2R), 这一结果与已有结论是一致的.     

实验观测液滴撞击倾斜表面液膜的特殊现象

采用高速摄像仪以10000帧/s 的拍摄速度对液滴撞击倾斜表面液膜的过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击倾斜表面液膜后的铺展、水花形成以及飞溅等现象, 考察了撞击角对液滴震荡变形过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展速度随时间的变化规律, 揭示了液滴撞击速度和撞击角对前、后铺展因子及初始铺展速度的影响.观测发现, 在撞击角为28.0°–74.7°范围内, 随着撞击角的减小, 液滴在液膜表面的震荡变形程度增大; 前铺展因子随撞击速度的增大而增大, 随撞击角的减小而增大; 后铺展因子随撞击速度的增大几乎不发生变化, 但是随撞击角的增大而增大; 液滴初始铺展速度随撞击速度和撞击角的升高而增大. 关键词： 液滴撞击 倾斜液膜 铺展因子 铺展速度     

活性剂浓度分布对液膜排液过程的影响

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,考虑分离压和表面黏度的作用,应用润滑理论建立液膜厚度、活性剂浓度和表面速度的控制方程组,分析初始活性剂浓度及梯度对排液过程的影响.结果表明：当液膜表面不含活性剂时,其排液历程很短,很快发生破断.当液膜表面添加活性剂时,可以延长液膜存续时间.而当液膜表面活性剂浓度较低时,其诱发的Marangoni效应不足以克服重力的排液作用,其形成的"黑膜"不能稳定存在.随活性剂浓度增大,液膜表面流动速度减小,液膜表面更加"坚固",所形成的"黑膜"非常稳定.当考虑初始活性剂浓度梯度时,其影响主要体现在减缓排液初期的表面速度.     

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.     

水平管外降膜流动液膜厚度的测量及分析

应用双极电导探针技术对水平管外无传热时的降膜流动的液膜厚度分布及其变化特性进行了实验研究.试验段水平管管径为φ25.4mm,长为300mm,液膜流量范围为Q=50~250L.h-1,水平管之间的垂直管间距分别为25mm,32mm,40mm.测量了不同流量、管间距变化条件下的液膜厚度分布,重点分析了流址变化、管间距变化、...     

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。     

水下气体喷射噪声特性研究

水下气体喷射形成了复杂气液流场,同时伴有频带宽、声压大的排气噪声产生。为研究水下排气流动状态与声压频谱之间的关系,建立水下排气噪声测试系统对水下排气形成的两相流场和排气噪声频谱进行了试验研究。结果表明随着排气速度的逐渐增大,排气形成的两相流场由气泡流态过渡为射流流态。伴随着流态的转换,气液边界面附近不稳定,形成大量体积较小气泡,这些小气泡在排气形成的湍流场激振作用下产生共振,从而辐射噪声;另一方面,这些气泡体积小,表面张力大,当多个气泡相互作用以及气泡形态发生变化时将释放出更高的能量,这些能量会辐射形成噪声;喷射流场的流态对水下排气噪声中频段声压峰值有较大的影响。当射流场由气泡流态过渡为射流流态后,2 kHz处对应的声压峰值呈非线性增大。     

扩散吸收式制冷系统中冷凝器的数值研究

对空冷翅片式和水冷光管式两种冷凝器进行了数值模拟,模拟了不同结构、不同对流换热系数、不同流速下氨液的冷凝量。结果表明:冷凝器管内热阻比管外热阻对氨气的冷凝影响更大;管径一定时,氨液冷凝量随入口速度的的增大而减小,当速度增加到某一值时,冷凝量基本不发生变化,对空冷翅片式冷凝器该速度为0.15m/s,水冷光管式为0.2m/s。     

矩形微通道内两相流流阻压降特性的可视化研究

以去离子水和质量分数为0.3%的水基纳米流体为工质,在当量直径为1.241mm的矩形微通道内进行了两相流流动沸腾的实验研究,并借助高速摄像仪对矩形微通道内流型随着质量流量及热流密度的变化进行了观察分析。实验结果表明:单位长度上的两相摩擦压降会随着质量流速的提升而提高;单位长度上的两相摩擦压降会随着热流密度的增大而升高;减小质量流速和提高其热流密度均会加快气泡的产生并提高气泡的脱离直径,当热流密度增大到一定程度时,通道内几乎为环状流与液态单相流交替出现,且环状流占周期中的较长时间。     

连续凹槽基底对含非溶性活性剂薄液膜流动特性的影响

针对连续凹槽基底上含非溶性活性剂液膜的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和活性剂浓度演化模型, 利用PDECOL程序数值模拟得到了液膜流动的动力学特征及基底结构参数的影响. 研究表明: 活性剂液膜流经连续凹槽时, 负向台阶处形成凹陷, 正向台阶处形成隆起, 且随时间逐渐增大; 与平整基底相比, 连续凹槽下的活性剂液膜铺展速度加快; 基底凹槽的高度增加或斜度减小可加速液膜破断的可能性; 增大凹槽宽度可促进液膜流动; 减小斜度会使液膜进入第一凹槽前形成隆起特征; 重力在液膜的爬坡和下坡过程中具有相反的作用, 但均使得流动稳定性变差; 分子间作用力形成的结合压可加速液膜流动, 进而引发去湿润现象, 分离压则与之相反. 关键词： 活性剂液膜 非平整基底 铺展 分子间作用力