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水平管气液两相流相间作用力定量检测装置的研究

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水平管气液两相流相间作用力定量检测装置的研究

作者：项秀明河北大学

学位级别：硕士

近年来，石油资源日益紧张，油、气、水三相流不分离测量技术显得越来越重要，气液两相流动机理的研究是解决三相流测量的理论基础。相间作用力是揭示气液两相流动机理的关键之一，是气液两相界面特性变化和流型演化的动因，但是绝大多... 详细信息

近年来，石油资源日益紧张，油、气、水三相流不分离测量技术显得越来越重要，气液两相流动机理的研究是解决三相流测量的理论基础。相间作用力是揭示气液两相流动机理的关键之一，是气液两相界面特性变化和流型演化的动因，但是绝大多数的研究都只在压力降的研究中会提到相间作用力，通常把相间作用力忽略或者只做定性的分析，本课题提出并设计了一种新的气液两相相间作用力定量检测装置，实现相间作用力的定量检测。本课题对相间作用力的物理模型和数学模型进行了研究，提出了一种更加准确获得垂直于水平流向差压的方法，以及一种获得气液两相流截面含气率的方法，从而得到两相流相间作用力。优化了相间作用力装置制作方案，分别制作了圆形管段和方形管段相间作用力定量检测装置。提出了一种新的水平管段取压孔设计方法，和传统取压方式相比，更加准确的获得了垂直于流向方向的压差。通过分层流模拟实验数据拟合出截面含气率与电容传感器电容值的关系，优化了截面含气率测量模型，模型的预测误差在±5%以内，进而求解出气液两相流动状态下的重位压降，得出垂直于流向方向的相间作用力。通过实验测试，对装置的测量特性进行了全面的研究，包括装置的差压特性、截面含气率特性以及相间作用力特性，实验数据分析表明，本相间作用力定量检测装置达到了预期的设计目标，达到了相间作用力定量检测的需要。

关键词：相间作用力两相流分相含率电容水平管道

垂直于水平流向的气液两相流相间作用力特性研究

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垂直于水平流向的气液两相流相间作用力特性研究

作者：刘然河北大学

学位级别：硕士

相间作用力是气液两相截面特性变化及流型演化的动因，是揭示气液两相流动机理的关键参数之一，但在研究气液两相流过程中，通常会把相间作用力忽略或是简单的定性分析。本文是在课题组前期研究成果的基础上，利用研制的相间作用力检测... 详细信息

相间作用力是气液两相截面特性变化及流型演化的动因，是揭示气液两相流动机理的关键参数之一，但在研究气液两相流过程中，通常会把相间作用力忽略或是简单的定性分析。本文是在课题组前期研究成果的基础上，利用研制的相间作用力检测装置又进行了实验测试，对垂直于水平流向的气液两相流相间作用力特性研究做了进一步补充和完善。本文利用气液两相流动基本方程和流动参数的定义，推导出垂直于水平流向的气液两相流相间作用力理论模型，为相间作用力的定量计算提供了理论基础。对方形管段的截面含气率完成了静态特性标定，经过数据拟合得到静止状态下的截面含气率测量模型，其绝对误差绝对值小于0.05，在实验误差允许范围内。通过对方形管内气液两相流动特点分析以及对多相流模型的研究，本文选用VOF模型对相间作用力进行二维数值模拟，采用速度入口，压力出口，同时在模型中考虑了表面张力。模拟的各工况管内流体流动状态与实验过程相吻合，并且将反应垂直水平流向相间作用力的垂直差压与实验测得值对比，结果显示两者的变化趋势一致，都是随气相流速增加而减小。分析了相间作用力是怎样引起流型变化的。本文选取垂直水平流向的高频差压信号作为分析对象，利用非线性分析方法提取垂直于水平流向的高频压差信号的特征参数，很好地反映了分层流到环状流转换过程的相关信息,并结合相间作用力分析流型演变的动因，为揭示气液两相流动机理提供了新的方法。最后通过理论计算得到相间作用力，对相间作用力做了简单的定量分析。

关键词：相间作用力两相流截面含气率电容数值模拟

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管内气液两相流相间作用力特性仿真研究

管内气液两相流相间作用力特性仿真研究

作者：何青河北大学

学位级别：硕士

气液两相流是一种十分复杂、在生产实际中广泛存在的混合流动状态。随着工业生产的发展，对计量、节能等方面的要求越来越高，尤其是对两相流参数的测量需求越来越迫切。因此，两相流参数检测的研究具有重要的理论和工程意义。本文是在... 详细信息

气液两相流是一种十分复杂、在生产实际中广泛存在的混合流动状态。随着工业生产的发展，对计量、节能等方面的要求越来越高，尤其是对两相流参数的测量需求越来越迫切。因此，两相流参数检测的研究具有重要的理论和工程意义。本文是在前人研究成果的基础上做进一步的完善，通过对相间作用力进行模型研究及对气液两相流进行动态数值模拟，进一步加深了对流量计量和管内两相流动过程的认识。在油、气、水三相流实验系统上进行实验，并根据不同的气相和液相流量所产生的不同流型，设定实验参数点，共进行三组实验，对差压、高频压力和电容信号通过NI公司的便携式多功能数据采集系统进行数据采集和记录。利用气液两相流动基本方程和流动参数的定义，对实验数据进行处理，计算出本文所需的流体流速、流体粘度、湍动能和耗散率等参数。通过CFD流体仿真软件，对方形管内气液两相流动状态进行动态的数值模拟。根据管内两相流流体的流动特性和课题需要，本文选择三个不同的液相点下分别选择三个不同的气相点，共九个实验工况点，分别在分层流、波状分层流和环状流三个流型下进行数值模拟计算，选用VOF模型对相间作用力进行二维数值模拟，边界条件选用速度入口，自由流出口，并且考虑了流体的运动粘度。模拟的各工况管内流体流动状态与实验过程相吻合。根据已有的相间作用力理论模型，将仿真结果带入理论模型中，得到仿真计算的相间作用力，并将其与实验测量得到的相间作用力进行对比，结果显示数值模拟结果与实验计算结果相吻合，数值模拟具有一定的准确性。

关键词：气液两相流数值模拟相间作用力流型

金属熔体—气泡两相流中相间作用力的探讨与数值模拟

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金属熔体—气泡两相流中相间作用力的探讨与数值模拟

作者：张潭大连理工大学

学位级别：硕士

采用欧拉-欧拉双流体模型对吹气发泡法制备泡沫铝的过程进行数值模拟时,有关相间作用力的探讨对数值模拟结果的预测作用有着极其重要的意义。本文主要研究相间作用力的阻力、升力、虚拟质量力对高温金属熔体-气泡两相流气泡分布和流体... 详细信息

采用欧拉-欧拉双流体模型对吹气发泡法制备泡沫铝的过程进行数值模拟时,有关相间作用力的探讨对数值模拟结果的预测作用有着极其重要的意义。本文主要研究相间作用力的阻力、升力、虚拟质量力对高温金属熔体-气泡两相流气泡分布和流体流动的影响。应用二维平面模型对平行往复搅拌高温金属熔体流场中的气体射流进行了模拟。在层流流动的条件下研究了Ishii和Zuber阻力模型,Liu阻力模型、Ohmori和Ishii阻力模型、Grevskott和Sannaes阻力模型、Tsuchiya和Furumoto阻力模型、Schiller和Naumann阻力模型、Dalla Ville阻力模型、Zhang和Vanderheyden阻力模型、Universal阻力模型共九个阻力模型以及升力对气液两相流流动的影响。出于实际考虑,加入湍流模型,考察阻力、升力、虚拟质量力对流场内流动结果的影响。通过以上模拟和计算,总结出层流状态下选取不同的阻力模型将产生不同的数值模拟结果,当考虑升力时根据阻力模型的不同将产生不同的影响。考虑气液两相的湍动并应用标准k-ε多相湍流模型对高温金属熔体-气泡两相流进行数值模拟时,对与Re数相关的阻力模型,由于阻力模型的不同而造成的数值模拟结果差距消失,升力则根据阻力模型的不同其影响结果不同。特别指出对于Universal阻力模型,无论层流还是湍流,加入升力后其数值模拟结果基本不变。

关键词：两相流相间作用力欧拉-欧拉双流体模型射流数值模拟

基于颗粒群在线测量的高相含率固液体系相间作用力模型

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基于颗粒群在线测量的高相含率固液体系相间作用力模型

耦合电化学和多相流模型的强制循环水电解槽性能研究

第十一届全国流体力学学术会议

作者：王浩亮李向阳毛在砂杨超中国科学院过程工程研究所中国科学院绿色过程与工程重点实验室中国科学院大学化学工程学院四川大学化学工程学院

多相反应器广泛用于石化、制药、环境等领域,实际工业体系的相含率通常较高(>10%),与稀相体系相比群效应显著,反应器内流体动力学更为复杂。对多相反应器内复杂流体动力学的表征是多相反应器优化设计和工程放大的重要基础。相间作用力... 详细信息

多相反应器广泛用于石化、制药、环境等领域,实际工业体系的相含率通常较高(>10%),与稀相体系相比群效应显著,反应器内流体动力学更为复杂。对多相反应器内复杂流体动力学的表征是多相反应器优化设计和工程放大的重要基础。相间作用力模型是CFD模拟准确与否的关键因素之一,现有的相间作用力模型基本都是对单颗粒模型的经验修正,通用性差。研究组在之前工作中利用原位照相探头短光程的优点,提出了一种适用于高相含率体系多相流场在线测量方法,该方法对～1 cm尺度的颗粒群进行高速拍照,分别利用PIV和PTV算法获得连续相和颗粒相的运动速度。本文利用该方法在线测量高达17.6%的固液体系两相瞬时速度场,在此基础上进一步计算相间滑移速度、相含率以及颗粒运动加速度等。利用牛顿第二定律对颗粒进行受力平衡分析,确定了相间作用力的大小,并对其中作用力系数无量纲分析拟合后,得到了相间作用合力系数表达式C=1.91×10ρArReReα。采用本文拟合的相间作用力模型,对研究组固含率为17.6%的实验体系和文献中固含率为10.4%的体系进行了数值模拟。结果发现:(1)模拟结果与实验数据吻合程度远优于目前固液体系模拟常用的Brucato和Khopkar相间作用力模型;(2)与目前文献中模拟高相含率体系广泛采用的Gidaspow模型相比,速度场的准确性相当,相含率的模拟结果准确性也远优于Gidaspow模型;(3)在质量守恒性方面本文拟合模型(偏差0.6%)比Gidaspow模型(偏差11.9%)具有明显优势。

关键词：多相流相间作用力 CFD 流动测量技术

来源： cnki会议评论

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过程工程学报 2023年第6期23卷 880-888页

作者：段旭东王斯民文键西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

碱性电解槽中气泡行为所带来的浓度极化对电解槽的性能影响较大,增大了电解水制氢能耗,但大多数研究未考虑电化学过程中气相产物流动行为的影响。本工作将电化学模型与气液两相流模型耦合,在描述气相体积力的方程中引入了曳力、升力和... 详细信息

碱性电解槽中气泡行为所带来的浓度极化对电解槽的性能影响较大,增大了电解水制氢能耗,但大多数研究未考虑电化学过程中气相产物流动行为的影响。本工作将电化学模型与气液两相流模型耦合,在描述气相体积力的方程中引入了曳力、升力和气泡弥散力,考虑了浓度极化的影响,模拟了强制循环碱性电解槽的产气过程,并进一步研究了操作工况对于电解槽性能的影响。随着电解液温度从60℃升高至80℃,平均电流密度提高了3.84%,电流密度分布均匀度恶化。当电解液入口流速从0.10 m/s增大至0.30 m/s,可以同时提高平均电流密度及其分布均匀度,平均电流密度提高了0.64%。电解液中氢氧化钾浓度对电解性能的影响最大,随着氢氧化钾浓度从2 mol/L提高至6 mol/L,电流密度提高了40.21%,但电流密度分布均匀度会恶化。

关键词：电解水氢气多相流相间作用力

基于WA-PBM耦合模型的鼓泡塔内气液流动与传质过程的数值模拟研究

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基于WA-PBM耦合模型的鼓泡塔内气液流动与传质过程的数值模拟研究

作者：梁宏伟北京化工大学

学位级别：硕士

多年来,鼓泡塔由于其设备成本低,传质和传热效率高等特点,被广泛应用于石油、生物、冶金、环境等工业过程。但其内部气液两相流体力学行为及传递特性复杂,使鼓泡塔反应器的设计、放大与优化存在难点。因此构建高精度、高效率的数值模型... 详细信息

多年来,鼓泡塔由于其设备成本低,传质和传热效率高等特点,被广泛应用于石油、生物、冶金、环境等工业过程。但其内部气液两相流体力学行为及传递特性复杂,使鼓泡塔反应器的设计、放大与优化存在难点。因此构建高精度、高效率的数值模型,准确描述鼓泡塔内气泡与液体的流动及传质行为具有重要意义。本文首次采用Wray-Agarwal(WA)单方程湍流模型耦合群体平衡模型(Population Balance Model,PBM),考虑气液相间交互作用,构建鼓泡塔内气液流动及传质过程的三维计算流体力学模型(Computational Fluid Dynamics,CFD)对鼓泡塔内气液两相的流动与传质进行三维数值模拟,进而考察了出口边界条件、相间作用力模型、气液传质模型、操作条件等对气液流动与传质过程的影响规律,主要研究结果如下:(1)以鼓泡塔为研究对象,构建WA-PBM耦合模型,对其内部气液两相流动行为进行三维CFD模拟,通过18组数值试验研究了不同相间作用力模型对气液轴向速度的影响,并确定了最优相间作用力模型组合以及出口边界条件。在此基础上,对壁面润滑力模型系数进行优化,获得的液体轴向速度、湍动能、平均气泡直径和气泡羽摆动周期的CFD模拟值与实验结果吻合良好,平均偏差在20%以内。(2)将优化后的鼓泡塔内气液两相CFD模型,拓展至不同的鼓泡塔气液体系中,对不同操作条件下气液流动进行数值模拟,模拟所得的液体轴向速度与实验值吻合良好,误差在20%以内,表明该WA-PBM-相间作用力模型组合在鼓泡塔气液体系中的有效性。随表观气速增加,气液轴向速度增大,湍动能增大,气泡尺寸分布变宽,气泡的平均直径增大。(3)为探究鼓泡塔内气液流动传质耦合机理,在实验测量的基础上,进一步构建鼓泡塔内二氧化碳物理吸收过程的三维CFD模型,对比了不同传质模型下液相中CO质量分数的预测值与实验数据。研究结果表明,与其他两种模型相比,修正小涡传质模型的模拟值与实验值吻合最好,误差在±10%以内。在传质过程初期,体系的气含率及气泡直径低于无传质过程的50%。随着气量的增加,气含率、平均气泡直径、气液界面面积及传质系数均逐渐增大,但传质系数的增长幅度较小。随塔内液体初始高度的增大,气含率、气液界面面积、传质系数逐渐减小,当液面高度从0.4 m增大到1.2 m时,气液界面面积减小28%,体积传质系数减小43%。

关键词：鼓泡塔 WA-PBM耦合模型气液两相流相间作用力传质系数

基于两流体模型的棒束通道气液两相流动数值研究

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基于两流体模型的棒束通道气液两相流动数值研究

作者：祁伟重庆大学

学位级别：硕士

压水堆在事故工况或堆芯功率增大的情况下,棒束通道中可能出现汽液两相流动,因此,研究燃料棒束通道两相流动特性,对反应堆的安全性和高效运行十分重要。棒束通道结构复杂,特别是定位格架及其搅混翼片,对获取棒束通道气液两相局部流动特... 详细信息

压水堆在事故工况或堆芯功率增大的情况下,棒束通道中可能出现汽液两相流动,因此,研究燃料棒束通道两相流动特性,对反应堆的安全性和高效运行十分重要。棒束通道结构复杂,特别是定位格架及其搅混翼片,对获取棒束通道气液两相局部流动特性和相分布数据带来较大的挑战。因此,本文采用欧拉-欧拉两流体模型开展了棒束通道气液两相流动的数值研究,探索两流体模型中相间作用力模型的影响,研究了格架和搅混翼片对棒束通道气液两相流动的影响特性,分析了不同气泡尺寸下带格架棒束通道气液两相流动特性。研究结果可以为先进燃料组件的研发提供理论支持。首先,基于欧拉-欧拉两流体模型开展圆管内气液两相流动数值研究,分析了相间作用力组合模型(曳力、升力、壁面润滑力、湍流耗散力和虚拟质量力等)对气液两相分布特性的影响;然后针对两组棒束通道气液两相流动实验工况开展数值计算验证,计算结果和实验数据吻合较好,获得了适用于棒束通道气液两相流动的相间作用力组合模型。其次,利用获得的适用于棒束通道气液两相流动的相间作用力组合模型,针对带搅混翼片棒束通道、简单格架棒束通道和光棒束通道开展气液两相流动数值计算,研究发现搅混翼片会促进格架下游形成强烈的横向流动,并且减缓横向流动的衰减;搅混翼片可以促进燃料棒表面的气泡向子通道中心迁移;同时获得了格架下游相态分布的转变规律。最后,研究了气泡尺寸对带搅混翼片棒束通道气液两相流动特性的影响,发现气泡直径越小,通过格架区流动阻力越小;在格架上游,小气泡会在燃料棒表面堆积形成较高的空泡份额和“壁峰”现象,而大气泡会在子通道中心聚集,形成“核峰”现象;搅混翼片对小气泡的相态分布影响十分显著,在格架下游邻近区域,翼片会促进小气泡向子通道中心迁移。

关键词：棒束通道两流体模型相间作用力搅混翼片气泡尺寸

流动参数对混输泵全流道内气液相间作用特性的影响

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工程热物理学报 2020年第8期41卷 1911-1916页

作者：张文武祝宝山余志毅清华大学能源与动力工程系北京100084 北京理工大学机械与车辆学院北京100081

为了解流动参数对混输泵内气液相间作用特性的影响,针对不同进口含气率(3%、9%、15%)、不同流量(0.75Qd、Qd、1.25Qd)和不同进口气泡直径(0.1 mm、0.4 mm、0.7 mm、1.0 mm)条件,利用ANSYS CFX对一叶片式气液混输泵进行了全流道数值模拟... 详细信息

为了解流动参数对混输泵内气液相间作用特性的影响,针对不同进口含气率(3%、9%、15%)、不同流量(0.75Qd、Qd、1.25Qd)和不同进口气泡直径(0.1 mm、0.4 mm、0.7 mm、1.0 mm)条件,利用ANSYS CFX对一叶片式气液混输泵进行了全流道数值模拟。计算结果表明:不同进口含气率下,泵内气液相间作用力中均是阻力起主导作用,湍流弥散力大小可忽略;随进口含气率增加,各相间作用力逐渐增大,且叶轮内相间作用力的增大幅度大于导叶。当Q=0.75Qd时,叶轮进口处阻力、附加质量力、升力以及叶轮内阻力均出现了明显增大。同时,进口气泡直径增加,叶轮内阻力、附加质量力和升力均增大,而导叶内相间作用力的变化相对较小。

关键词：混输泵相间作用力进口含气率气泡直径数值计算