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间隙内沸腾两相流形成机理数值仿真与实验

间隙内沸腾两相流形成机理数值仿真与实验

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作者：王杰西安电子科技大学

学位级别：硕士

两相流现象普遍存在于能源动力各类泵、航空航天润滑密封部件、石油天然气管道运输等工程应用领域。对于此类实际工程应用中出现的间隙内的两相流变化,尚无较好的数值模型及实验对其进行系统特性的研究。本文以通道内间隙液体为研究对象... 详细信息

两相流现象普遍存在于能源动力各类泵、航空航天润滑密封部件、石油天然气管道运输等工程应用领域。对于此类实际工程应用中出现的间隙内的两相流变化,尚无较好的数值模型及实验对其进行系统特性的研究。本文以通道内间隙液体为研究对象,研究其流动沸腾两相流的形成以及演化机理,结果将有助于深入了解间隙内气液两相流的属性及其相变规律,为工程应用提供理论支持,对实际工程系统出现两相流工况下的运行稳定性和可靠性极具意义。本文具体的研究内容及工作成果如下:首先,基于VOF多相流模型、蒸发冷凝相变模型构建了间隙内流动沸腾两相流数值模型,并对该模型进行了网格无关性检验。使用文献对比的方法对本文构建的模型进行计算验证,计算结果与文献结果对比误差均在10%以内,验证了本文数值模型的合理性。其次,基于间隙内流动沸腾两相流数值模型,探究了不同物理工况及通道结构对间隙内沸腾两相流的影响。具体分析了入口温度、入口流速及热流密度等物理工况条件,以及矩形、半圆形、三角形等不同通道结构对间隙内流动沸腾两相流的影响。从间隙内气相产生、相变的起始点、两相流流型等角度揭示了沸腾两相流产生的条件及演变规律。同时讨论了不同的物理工况以及通道结构对间隙内流体域换热性能的影响,揭示了沸腾相变对流体域换热的影响规律。最后,设计了一种诱发两相流的间隙通道结构,搭建了间隙内流动沸腾可视化实验平台,并在该实验平台开展了间隙内流动沸腾两相流的实验研究。对间隙内流体沸腾相变过程中的气泡生长、气液两相流的流型进行了实验研究,分析了入口温度、入口流速等工况条件对间隙内气泡生长过程及气液两相流流型演变的影响,并利用实验结果对本文构建的数值模型进行了对比验证。同时讨论了间隙内相变起始沸腾点、流体流动沸腾换热特性以及总压降的变化情况,实验揭示了间隙内流动沸腾换热的主要机理及影响因素。

关键词：间隙液体沸腾两相流数值模型可视化实验平台实验研究

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激波管中冲击波与砂层相互作用的实验研究

激波管中冲击波与砂层相互作用的实验研究

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作者：余琪琪北京理工大学

学位级别：硕士

地震、土中爆炸、爆炸冲击防护等过程中涉及到冲击波与颗粒骨架的相互作用,及渗透气流与颗粒层压缩之间的相互耦合等问题。本论文基于激波管技术建立了冲击波与石英砂颗粒层相互作用的实验平台,研究了冲击波在不同石英砂样本中的波系演... 详细信息

地震、土中爆炸、爆炸冲击防护等过程中涉及到冲击波与颗粒骨架的相互作用,及渗透气流与颗粒层压缩之间的相互耦合等问题。本论文基于激波管技术建立了冲击波与石英砂颗粒层相互作用的实验平台,研究了冲击波在不同石英砂样本中的波系演化,及砂体的冲击应力-应变响应。给出了渗透气流、颗粒尺寸、含水量等变量对上述问题的影响。本研究工作为评价颗粒材料防护屏障的冲击吸能特性提供了理论基础。实验通过记录砂层冲击压缩过程的高速摄影图片,描述了砂层在冲击过程中的运动轨迹,提取出了不同深度处砂层的压缩量,进而计算出压缩应变随砂层深度的变化。通过砂层侧壁不同深度处和尾端的孔压及总压随时间的变化规律,描述了砂层内部透射波和压实波的运动轨迹及速度变化。进入到砂层中的透射波演化为上升速率随深度减小的压缩波,浅层的孔压幅值会最终上升到P5;压实波具有尖锐的初始峰,宽度不超过1ms,此后浅层的压实应力在稀疏波的影响下迅速衰减,而深层的压实应力会稳定在某个远小于P5的压强。渗透气流能够明显增大孔压的幅值和上升的速率,使浅层应力峰值略有增加,但对深层应力影响不大。砂粒尺寸变大致使砂层孔隙率和渗透率变大,渗透气流影响更明显,从而孔压变大。含水砂体中的孔压以及浅层压实应力均随着含水量的增加而上升,前者由于液体中传播的透射波对孔压的贡献增大,后者由于液膜的润滑效应导致摩擦耗散被削弱。而由于冲击排水及底部液体渗出,深层中压实应力与含水量的相关性不显著。通过将砂层侧壁和尾端压实应力的峰值作为砂层侧向和轴向应力的近似,得到了不同样本的应力-应变关系。发现渗透气流强化了砂层的冲击响应,其动态杨氏模量明显高于排除渗透气流的情况。少量的间隙水使得砂层更为难以压缩,动态杨氏模量增大;排水效应随着含水量增大而越发明显,留下的大量孔隙导致砂层软化,更容易压缩。通过粒径分析仪定量获得了冲击后砂粒的破碎程度,发现气流渗透受阻的砂层内,由于应力形成过程拉长,砂粒破碎效应增强;有效应力较大的含水砂层内砂粒的破碎效应也增强。

关键词：激波管冲击压缩砂层波系结构渗透气流间隙液体应力应变

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