倾斜管气液两相流型转化边界

为了得到更加准确的40D倾斜管气液两相流型转化界限,在内径为40 mm、长8 m的有机玻璃管内进行了角度为30°、45°、70°、90°的气液两相流动实验,实验记录了不同工况条件下的流型,将实验结果与较为全面的Barnea模型流型转换界限进行对比分析。结果表明:Barnea的流型图中泡状流-段塞流及段塞流-搅动流界限与实验结果吻合度低,不能满足精准预测流型的要求。为此,修正流型转换准则,提出较为准确的40 mm倾斜管的泡状流-段塞流及段塞流-搅动流的流型转化界限,并绘制修正后的流型图,以期为不同倾角下气液两相流型判别提供更为精确的判断依据。     

矩形微通道内液滴产生和运动特性实验研究

摘要： 借助于高速电荷耦合器件(CCD)相机,对宽125 μm、深300 μm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道内的液滴产生和流动进行了可视化实验研究,通过改变水（离散相）和硅油（连续相）的流量比,分析了液滴的长度、运动速率和产生频率的变化情况.结果表明：微通道内液滴的无量纲长度与水、油流量比之间存在着明显的线性关系;而液滴的运动速率比两相混合物的表观速率大.同时,提出了能够简单、准确描述液滴运动速率的实验拟合公式,并建立了预测液滴产生频率的模型.与实验结果对比发现,所建模型的预测值与实验值较吻合,两者偏差在± 12%以内.
关键词：中图分类号：文献标志码： A     

多相混输管道水合物生成及其浆液输送

根据经典的理论研究,依托良好的实验条件,对多相混输管道水合物生成及其浆液输送规律进行研究。结果表明:综合结晶本征动力学传热与传质所建立的水合物壳双向生长模型能有效预测油水乳状液下水合物生成过程中的气体消耗量;在高压水合物生成实验环道上,借助FBRM(颗粒粒度分析仪)和PVM(颗粒录影显微仪)设备可探究水合物生成过程中颗粒/液滴的分布规律;考虑到多相混输管道水合物浆液的输送安全性,流动须满足"最低安全流量"的要求;在高压水合物生成实验环道上,可直观研究不同含水率下天然气-水合物浆液的流型特点。     

旋涡流动中微液滴颗粒的滑移效应

本文利用改进的相间滑移矩方法,数值研究了兰金涡在加入微液滴颗粒后的演变,注重考察相间滑移效应的影响.相间滑移矩方法分别考虑气相与液滴弥散相的运动过程,通过颗粒分布函数各阶矩方程的源项来表达相间质量、动量与能量的传递,从而实现气液两相间的速度滑移效应的模拟.研究结果表明,当向兰金涡中注入液滴微粒后,兰金涡的结构会在液滴滑移效应的扰动下发生一系列的演化,注入微粒的半径不同,演化过程也不相同.当注入微粒的半径较小时,滑移效应较小,微粒会在滑移效应下做离心运动,最终在涡核外呈圆环状分布;当注入微粒的半径足够大时,滑移效应增强导致流动失稳,涡核内产生负涡量,在其作用下颗粒呈现"旋臂"结构而快速向外迁移.最后,本文考察了微液滴颗粒由于凝结增长对旋涡演化和滑移效应的影响,发现微液滴的凝结增长导致更多的气相动量转移到液滴相,使得微液滴与气相的滑移驰豫过程变短,微液滴的跟随性增强,从而使得微液滴与气相的平均滑移速度递减更快.     

基于裂纹尖端张开角含轴向穿透裂纹X80管道极限压力预测

准确预测含轴向穿透裂纹管道极限压力对其安全运行具有重要意义,但现有极限压力预测模型已不满足高韧性、高强度X80管道的评定需求。对含轴向穿透裂纹X80管道极限压力进行研究,建立含轴向穿透裂纹X80管道壳单元与三维实体单元数值模型,应用壳单元模型替代三维实体单元模型以简化分析过程并提高计算效率。基于含裂纹管道壳单元模型,选用临界裂纹尖端张开角作为断裂参量,分析初始裂纹长度、检测单元长度、管道壁厚等不同因素对极限压力的影响,提出极限压力预测修正模型。将基于修正模型的管道爆破压力预测结果与试验测试结果进行对比分析。结果表明,初始裂纹长度与极限压力呈负相关关系;而检测单元长度和管道壁厚与极限压力呈正相关关系,且壁厚与极限压力基本呈近线性关系;三者均对极限压力具有较为显著的影响。该模型具有更高的准确性,可用于高韧性、高强度薄壁X80管道的止裂设计。     

基于瞬态修正的车辆燃油消耗模型建模

针对稳态油耗特性的稳态模型使得车辆工作在瞬态条件时的油耗估计与实际燃油消耗偏差较大的问题.在稳态油耗模型的基础上引入瞬态修正模块,建立了一种新的瞬态油耗模型BIT-TFCM.利用真实油耗数据对BIT-TFCM做了验证.结果表明,引入瞬态修正模块后,BIT-TFCM的平均预测误差比没有瞬态修正的稳态模型低了约11.44%~19.28%.此外,与经典的VT-Micro模型相比,BIT-TFCM预测更接近实测值.      

膨胀率对氮气和水蒸气超音速凝结特性的影响

为了研究膨胀率对氮气和水蒸气超音速凝结特性的影响规律,利用双组分凝结流动数值模型对氮气和水蒸气的不平衡凝结流动进行了数值模拟.对数值模型进行了验证,发现模拟结果与实验结果一致.利用该数值模型研究了不同膨胀率对氮气和水蒸气凝结流动的影响,发现在相同的进口参数下,随着膨胀率的增大,极限过冷度变大,液滴成核率和液滴数增大,但液滴半径减小.在超音速分离管设计过程中,需要综合考虑膨胀率与液滴半径两方面因素来获得较高的分离性能.     

水平管间溴化锂溶液滴状降膜流动分析

对溴化锂溶液在水平管间的实际液滴流动过程进行了记录分析,以改进目前滴状降膜吸收数值模型中的理想化球形液滴假设.使用高速摄像机,对16 mm管间距下溴化锂溶液滴状流动过程进行了拍摄.采用图像边缘识别技术、样条拟合和二维曲线旋转积分方法,得到了液滴表面积和体积关于时间的变化关系.根据液滴的发展特点,将管间液滴形成划分为悬垂拉伸、不稳定液柱和破裂降落3个阶段,据此提出了不同溶液流量下液滴形成的预测模型.管间液滴表面积和体积发展的预测曲线与实测结果吻合较好.该模型可以在滴状降膜传热传质数值计算中得到应用.     

离心泵吸水室内气液两相流动试验及数值模拟

为了研究离心泵输送气液两相介质时吸水室内的流动规律,对透明模型离心泵进行了试验研究;同时基于Eulerian Eulerian非均相流模型,对离心泵内气液两相流动进行了数值模拟,采用试验验证过的数值计算模型分析了吸水室内的两相流动,揭示了吸水室内流型的变化规律,建立了流型与泵外特性之间的关系。研究结果表明：吸水室内最多可能出现8种流型,但在某一转速下,最多只会出现6种流型;气体螺旋长度随液体流量的增大而减短,随转速的增大而增长;螺旋流的出现极大地增大了吸水室内的湍流强度,降低了泵的稳定性;吸水室内流型为稳态螺旋泡状流时,泵的扬程较大,离心泵效率最高时,吸水室内流型为稳态非螺旋泡状流或脉动非螺旋泡状流。     

微流控芯片通道壁面润湿性对微滴生成的影响

液滴微流控中芯片微通道的壁面润湿性是决定微滴生成的重要因素之一。为研究环烯烃共聚物芯片微通道表面润湿性对通道内微滴生成以及流体流动行为的影响,利用流体体积(volume of fluid, VOF)模型对聚焦流微通道中水和氟油两相流动行为进行数值模拟,并制备了接触角为30°、90°、120°梯度下的芯片微通道壁面开展实验研究,模拟与实验吻合良好。结果表明:在固定物性和结构参数下,壁面润湿性越弱,油包水微滴越容易形成,壁面的减阻特性随之增强,并且壁面的减阻特性导致90°比120°时微滴的生成频率低29.3%,直径增大8.3%;随着润湿性的增强,水相相对于氟油相的界面由凸变凹,30°时芯片生成微滴由油包水变成水包油;随着连续相毛细数(Ca)的升高,壁面润湿性对微滴生成的影响减小。     

水平平板上液滴的径厚比对其热稳定影响的研究

本文从理论上证明了水平平板上液滴的径厚比对其热稳定性有着巨大的影响,径厚比大的液滴比径厚比小的液滴具有更好的热稳定性。实验结果证实了上述结论。     

交流电润湿作用下液滴的振荡行为特性

摘要：
实验研究了不同交流电频率下共面电极电润湿芯片上液滴的振荡行为特性.结果表明,在某些特定的输入频率下液滴出现共振,共振模态称为Pn（n=2,4,…）,且实验获得的共振频率值与线性理论预测值吻合良好.在共振模态Pn下,液滴振荡对称,表面呈现n/2个波峰.在相邻共振模态间存在某个临界频率,此时液滴振荡对称,但很微弱,且接触线宽度和液滴高度的振荡相位关系发生转变.小于此临界频率时,液滴接触线延展至最大时呈液瓣状,且液瓣的位置通过液滴的收缩和延展在水平面内周期性交替,液瓣数目随着相邻共振模态阶数n的升高而增加.大于此临界频率时,液滴振荡左右不对称,具体表现为液滴表面波的传动.预期这些液滴的非对称振荡会产生更为混乱的内部流动,从而增强微流控液滴混合器的混合效率.
     

基于液滴轮廓割线的纤维接触角测量方法模拟研究

纤维的润湿性能是制约其在材料领域应用的一个重要因素,开展纤维润湿性能的研究是材料研究领域的一个重要工作。针对纤维润湿性能表征中使用的割线法进行数值模拟分析,考察割线法的可实施性及其测试精度的提升方案。经过分析发现,采用割线对切线进行近似处理时需要保证割线的相对长度(a/z_(max))在0.05到0.07的范围,此时通过优选测量液滴的大小可以将测量误差控制在±2.5°以内。为了方便研究结果的应用,还提出了一种基于液滴轮廓割线的纤维接触角测量方案。研究结果可用于指导一般工程技术人员在没有专门的仪器及软件的情况下开展纤维润湿性能的研究。     

From Single Droplet to Column Design

The technique state to design counter-current extraction columns is based on the performance of pilot plant experiments. The modelling is then either with the equilibrium or dispersion model, whereas in the latter the dispersion coefficient accounts for all hydrodynamic non-idealities. A new approach uses single droplet experiments to obtain the basic laws and functions governing droplet breakage, coalescence, relative velocity, and axial dispersion when using droplet populance balance models （DPBM）. The hydrodynamics simulation results show that the mean Sauter diameter, hold-up, and concentration profiles could be well predicted, which promotes the use of DPBM models for further applications in industrial scale.     

动态喷墨液滴两相流模拟

采用数值模拟方法研究了在平坦固体表面润湿时喷墨液滴的产生过程．以确定出发生液滴的关键．在考虑了表面张力和壁粘连的基础上．利用两相流之流体体积方法（VOF）建立了一个计算流体动力学模型采模拟湿平坦的固体表面上液滴过程．结果表明：基于VOF模型能够模拟润湿固体表面上液滴产生的动态,能够反映动态液滴与润湿固体表面间的相互作用和主要特征．这一模拟提高了对流体流动的认识．可以为一个特定的喷墨应用预测优化设计．     

油水分离器中液滴流动模拟方法研究

对油气储运行业来说,油水两相流是不可避免的问题.然而储运设施中油水两相带来了一系列风险,因此油品在储运过程中进行油水分离处理是必要的.对油水两相流中液滴流动的实验观测和数值模拟这两种主要研究方法进行了分析比较,指出了当前实验水平所具有的模糊、定性化和不统一等问题.在此基础上,提出了基于CahnHilliard方程的相场模型,引入了"Shift-Matrix"矩阵快速解法,通过与LBM方法的对比来论证本算法优越性,并通过对不同条件下水滴和油滴的运移及融合过程的模拟,验证了本文模型和方法的可靠性和正确性,指出了当前在油水分离器设计中所采用公式的不足,从而能够为日后油气储运领域实际油水两相流过程的研究提供理论依据和技术基础.     

基于计算机视觉的雾滴尺寸测量技术

对油盘法采集雾滴、计算机视觉测量雾滴尺寸进行了探索,建立了一种基于计算机视觉的雾滴尺寸测量方法。结果表明,基于计算机视觉的雾滴尺寸测量系统得到了雾滴尺寸信息非常接近于ＰＭＳ的激光图像化方法测量得到的结果,得到的小于１５０ｕｍ雾滴总体积百分比也很接近,同时该系统测量获得的体积中径与喷雾系统公司提供的雾滴尺寸非常接近。     

等离子喷涂熔滴的瞬时碰撞压力研究

采用数值模拟,研究了等离子喷涂熔滴碰撞基体后,作用在基体表面的瞬时压力分布变化过程和影响因素．研究表明,碰撞压力和熔滴的初始动能存在正比关系,碰撞压力集中作用在基体表面熔滴直径为２ ．５ 倍以内的区域．在该区域以外,碰撞压力值很小,这是造成扁平粒子与基体表面接触不完善的直接原因     

公交车内飞沫运移的数值模拟

基于计算流体力学数值模拟方法,研究了送风风速0.25~2m/s及乘客位于车厢前、中、后部时咳嗽产生飞沫的蒸发、沉降和扩散运动.结果表明:飞沫喷出后迅速蒸发;当车厢进风速度小时,大粒径飞沫迅速沉降,小粒径飞沫在空间停留时间长,影响范围大;当进风速度大时,大粒径飞沫在空间停留时间变长,传播更远,小飞沫停留时间变短;综合考虑,本模型条件下推荐车厢进风速度为1m/s.患者位于车厢前部时,飞沫主要沉降在车壁,其次为地面;患者位于车中部和后部时,飞沫主要沉降在人及座位上,其次为地面;相较于前部和中部,患者在车厢后部咳嗽时飞沫影响范围大.本研究可为公交车内通风和消杀提供指导.     

基于介质上电润湿原理的微液滴驱动芯片

为了实现对微尺度下流体的精确操控,提出一种基于介质上电润湿(e lectrow etting-on-d ie lectric,EW OD)的新型微液滴驱动芯片。研究了介质上电润湿原理及“三明治”结构驱动机制,并利用流体软件(CFD-ACE )数值模拟液滴在“三明治”结构中的驱动情况;分析了“三明治”结构液滴驱动芯片的工艺,并提出在重掺杂多晶硅电极阵列表面上热氧二氧化硅介质层来制备低驱动电压及高可靠性的新结构驱动芯片;在空气环境下,通过施加45V驱动电压成功实现了对去离子离散液滴的操作和控制。