气-液两相流界面迁移现象的数值模拟研究

借助于LevelSet函数,建立了气-液两相的统一控制方程组,并在交错网格中进行离散.用两种格式,即Superbee TVD格式和5阶WENO格式求解LevelSet函数的输运方程,用SIMPLER算法的思想对主流场控制方程的求解方法进行改进.数值实验结果表明,在求解LevelSet的控制方程时,5阶WENO方法比Superbee TVD格式的结果更准确;用改进的数值算法可成功实现对密度比大于1000/1的气-液两相流界面迁移问题的数值模拟.对几种典型大密度比气-液两相流问题的计算结果与实际问题的物理规律完全一致,验证了该方法的有效性和可靠性.     

气液两相管流相界面检测及数值模拟研究进展

准确识别相界面结构形态是相界面力学分析的基础,也是研究气液两相流动规律的一种重要技术手段.针对动力、能源、化工、医药及航空等领域气液两相管流的相界面拓扑性强、变化速度快、实现准确测量难度大等特点,开展了气液两相管流相界面检测技术和数值模拟方法的综述研究.相界面检测技术主要有电容法、电导法、光导法、射线法、热学法、声学法...     

气液两相分层流动相界面迁移的数值模拟

采用高精度差分格式求解原始变量不可压缩Navier-Stokes方程和Level-Set方程,对二维的两壁面间的气液两相分层流动进行数值模拟,分析气、液雷诺数对界面的迁移、演化过程的影响.结果表明:随着流体沿流向流动,界面扰动波幅值和扰动波及的范围逐渐变大,左右两侧界面非对称地发展,界面呈现出了钉子结构和泡状结构;气相与液相雷诺数对界面迁移变化的影响规律相同,只是在管中流动产生的界面形状有差异,液相雷诺数的增加使得界面波动更加剧烈.     

气液两相流管道泄漏流场特性数值模拟分析

气液两相流管道声波泄漏检测技术在研究过程遇到流动参数无法准确测量难题,不能充分了解泄漏声源特性,阻碍了声波泄漏检测技术的发展.基于多相流体流动过程中声场和流场是密不可分的,且两者之间相互作用、相互影响.为补充实验研究和理论分析不足,利用ANSYS软件,建立了简化的管道泄漏几何模型,采用Fluent动网格技术和自定义函数...     

煤层气井筒气液两相流数值模拟

在煤层气井开采过程中由于井底积液的影响,会在管道中形成气液两相流动。用数值模拟方法研究含气率、进口压力、进口温度、压降等参数对气液两相流流态的影响。结果表明：进口压力和进口温度对气液两相流流态影响较小;含气率对两相流流态的影响很大,决定了气液两相的流态,当含气率小于0.2时,气液两相流呈现泡状流,当含气率在0.2～0.3时气液两相流流态呈现段塞流,当含气率在0.5～0.6时,气液两相流流态呈现搅动流,当含气率超过0.8时,气液两相流流态呈现环状流;压降对流体的影响较为复杂,随着压降增加,流态会缓慢发生变化,管内两相流中的气体膨胀,改变了截面含气率以及气液两相的表观速度,使两相流流态发生了转变;当压降超过一定值时,流态会从一种形态转变为另外一种形态。     

矩形斜板湿法除尘塔气液两相流数值模拟

以自主研制的矩形斜板湿法除尘塔为物理模型,采用CFD(计算流体力学)软件Fluent对塔内三维气液两相的流场进行了数值模拟.计算中气相采用标准k-ε湍流模型,液相采用拉格朗日离散相模型,液滴的壁面行为采用壁面液膜模型.结果表明:矩形斜板除尘塔能有效地增大气液接触面积,增强气液扰动,延长气体在塔内的停留时间;在塔体的进口区域会出现烟气冲壁和液滴冲壁的现象;在进气管一侧的塔体顶部会出现流动死区;喷淋液体对气场有一定的整流作用,在喷嘴处可以观察到气体卷吸的现象;增大进口烟速,可增大液滴在塔内的充满度,但同时会出现液滴夹带的现象.最后,在不同气速,不同的液气比下对塔内的压力损失进行了实验验证,实验值与模拟值吻合较好.     

离心泵自吸过程的气液两相流非稳态数值模拟

 选取一种常用的立式外混式自吸离心泵作为研究对象,运用非稳态数值模拟手段,探索自吸离心泵起动后气液两相流动的瞬态过程.研究采用了接近真实自吸情形的设置,选取一段吸入管路充满空气作为模拟计算的初始条件.计算得到了自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系,叶轮入口和泵出口处气液相流量随时间的变化规律,由此可估算自吸时间.计算发现泵吸入和排出气量的时间主要集中在泵起动的初期,叶轮入口和泵出口处的瞬时含气率分别可达到30.9%和20.2%.此外,蜗壳开孔起到分流排气的显著作用,孔口排气量占整个蜗壳排气量的20%～25%.本文所采用的模拟方法和结果对于研究自吸泵自吸过程和自吸性能,具有一定的理论和工程价值.     

基于气液两相流数值模拟混合器优化设计

生物反应器结构优化是甲烷氧化菌的培养积累PHB的产量的影响因素之一,因为水平管式循环反应器在培养甲烷氧化菌,积累PHB方面的应用,所以优化设计水平管式循环生物反应器特别重要,优化设计结构参数主要基于气液两相流的传质理论.通过对生物反应器的水平段的数值模拟,优化设计生物反应器的管径,混合元件的进气口的距离、进相端的角度、细管管径的大小和长度、出口端的角度大小和混合元件的个数,促进气液传质,优化设计结果为生物反应器的管道为3 cm,进气口距离为5 cm、进相端的角度为90°、细管的管径为2 cm和长度为1 cm、出口端角度为7°以及混合元件的个数是5个.该优化设计结果为生物反应器的整体优化做铺垫,为甲烷氧化菌培养积累PHB产量工业化生产研究做铺垫.     

质子交换膜燃料电池三维气液两相流数值模拟

质子交换膜燃料电池液态水的生成和传输过程研究,是进行电池水管理的关键。该文基于多相混合流理论,建立了质子交换膜燃料电池三维气液两相流动与传热的数学模型。该模型不仅能模拟燃料电池内部反应气的流动、扩散和化学反应过程,还能模拟液态水的传输和相变过程。应用该模型模拟了电池内液态水的分布及其对燃料电池性能的影响,结果表明液态水主要分布在阴极侧,在大电流密度下,液态水阻碍了氧的扩散过程,导致电池性能下降。模拟结果与实验结果吻合较好。     

管道充水工况下气液两相流瞬态数值模拟研究

结合k - ε湍流模型,对三维管道充水过程的气液两相流进行了瞬态数值模拟.建立了管道充水过程液相体积分数与时间的数学模型,并对两相流在管道中的流动特性、能量损耗进行分析.模拟结果表明:充水过程中存在分层、段塞、气团、气泡流;气体在管道中以气团、气泡流流型向下游管网流动;气液两相流造成的能量损耗大于单相流,两相流能量消耗增大的原因是存在气液相间相互作用以及流体与管壁摩擦系数的增大;倾斜下降管道剖面水平方向轴向流速对称分布;垂直方向靠近管道顶部与底部分别出现气、液相轴向流速峰值,气液交界处轴向流速最低.     

除尘脱硫装置气液两相流场的数值模拟

利用FLUENT软件对SHG-Ⅱ-Z型除尘脱硫装置内的气液两相流场进行了数值模拟.计算中选择RNG k-ε湍流模型及随机轨道模型,数值计算采用SIMPLEC算法.计算结果表明,实心圆锥喷射方式的除尘脱硫效率高于空心圆锥喷射方式;喷射液滴的直径和速度影响其在筒体内的分布,喷射速度越大,被完全脱除的液滴直径越大;进口气速影响液滴的脱除效率,当气速增大时要适当增大液滴的直径.     

锌电解槽内气液两相流动的数值模拟

应用FLUENT软件,分别对单组阴阳极、多组阴阳极锌电解槽中的电解液流动进行了数值模拟研究.针对单组阴阳极间的电解液,基于气泡产生及运动的机理计算出单个气泡在静止电解液中的上浮速度为0.017 m/s.气液两相流数值模拟结果表明:在气泡的作用下,电解液沿阳极板向上运动,沿阴极板向下运动,形成一个大的循环;而气泡群上浮的平均速度约为0.021 m/s,与文献实验数据相吻合.针对实际生产中多组阴阳极锌电解槽,气液两相流数值模拟结果表明:在气泡上浮曳力和电解液进出口压差驱动的共同作用下,电解液的运动态势与单组阴阳极仅考虑气泡曳力作用时的状况相同,极间电解液平均流速是无气泡作用时的1.5倍左右,这将有利于加快极板附近电解液的更新,延缓锌离子的贫化.     

T型微通道内气液两相流数值模拟

采用相场方法,在湿壁面条件下对T型微通道内不可压缩气液两相流动进行了模拟研究.数值模拟中得到微通道内特有气泡——Taylor气泡形成的过程,发现其形成共经历了4个阶段,气泡在形成过程中主要受到挤压力、表面张力、黏性力的作用,分析各阶段这3种力对气泡的作用,得到Taylor气泡形成机理.计算结果表明,挤压力和表面张力在气泡整个形成过程都起作用,表面张力在气泡脱离前达到最小值,黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用并在阻塞阶段取得最大值.这些基本规律为有效控制微通道内气泡尺寸和微通道系统设计提供了一定的依据.     

孔板通气气液两相流动特性研究

采用实验与数值模拟相结合的方法研究了孔板通气气液两相流动特性和气层形成机理.应用高速录像观察了通气气液两相流流动形态,采用Level Set方法和RNG k-ε湍流模型对通气平板流场进行了数值计算.结果表明气层覆盖区域压力是判定气层形成的重要参数:泡间高压消失表明当地的气泡开始形成气层,当气层基本形成时,壁面压力趋于一致.旋涡结构在气层形成不同阶段具有明显的特征,在气层初始形成位置前后,肾形涡由于气泡接触相互作用而逐渐消失;在气层完全形成位置前后,旋涡结构重新生成.随着孔间距的增加,气层形成位置由于横向距离增加而向下游移动,但相互作用区域变化不大.      

涡轮流量传感器测量气液两相流的数值仿真与实验验证

以Fluent软件为工具,采用双流体模型,对涡轮流量传感器测量体积含气率低于10％的气液两相泡状流进行了数值仿真．提出了以仪表系数迁移量为评价涡轮流量传感器测量气液两相流性能的方法．通过对传感器内部流场的分析可知：随着入口体积含气率的增加,叶片吸力面侧、叶片尾缘附近的气相体积分数明显增加,导致传感器仪表系数迁移量明显增大．以现有传感器与改进传感器的仪表系数迁移量仿真值的对比为判定依据,对现有传感器进行了改进设计．在天津大学自动化学院气液两相流装置上进行了实验,验证了该改进设计的有效性.     

叶片泵内气液两相流的三维流动数值模型

基于双流体模型建立针对叶片泵内气液两相三维湍流流动的数学模型和数值计算方法.相间作用力考虑了阻力和附加质量力,湍流模型考虑了因相含量脉动引起的附加源项,在SIMPLEC算法基础上提出了一种气液两相流的压力修正算法.运用所建模型计算了叶片式气液混输泵在进口含气率分别为5%,15%,25%的系列工况下叶轮的内部两相流场,并作了扬程特性预测.与实验结果的对比表明,所提出的流动模型是可靠的,并具有较宽的进口含气率适用范围.     

Numerical Study of Void Fraction Distribution Propagation in Gas-Liquid Two-Phase Flow

A dynamic propagation model was developed for waves in two-phase flows by assuming that continuity waves and dynamic waves interact nonlinearly for certain flow conditions. The drift-flux model is solved with the one-dimensional continuity equation for gas-liquid two-phase flows as an initial-boundary value problem solved using the characteristic-curve method. The numerical results give the void fraction distribution propagation in a gas-liquid two-phase flow which shows how the flow pattern transition occurs. The numerical simulations of different flow patterns show that the void fraction distribution propagation is determined by the characteristics of the drift-flux between the liquid and gas flows and the void fraction range. Flow pattern transitions begin around a void fraction of 0.27 and end around 0.58. Flow pattern transitions do not occur for very high void concentrations.     

粘性不可压缩流的吸引子

在势函数存在的条件下证明了极小紧不变全局Ｂ－吸引子的存在性     

粘性不可压流体三维CBS算法有限元模拟

基于特征线理论的分离变量算法,编制了三维四面体CBS (Characteristic-Based Split)算法程序,讨论了CBS算法中的半隐式和显式算法,通过数值算例验证了显式和半隐式算法的稳定性和精度.