水平管内环状流下两相强制对流蒸发的理论研究

分析了液膜内动力和换热特性,提出了一种环状流下的两相强制对流蒸发的６层速度分布模型,并利用比拟理论进行了分析和计算,预测其换热系数,通过与数据对比,结果表明预测值与实验数据有较好的一致性。     

基于离心法引发的气液两相环状流的数值模拟及流量测量研究

用数值模拟方法研究了水平管内气液两相流经过旋流叶片这种离心原件的流动特点。入口为段塞流,空气为主相,水为次相。研究在离心力作用下给气液相分布和流型转变带来的影响。模拟结果表明段塞流经过离心原件后流型转变为环状流;且环状流的液膜相对比较均匀。实验引进了3D打印技术,试制了旋流叶片,并开展了气液两相流实验研究,采用多普勒流速仪测量,通过对液膜速度分布曲线积分即可获得液相质量流量。实验取得了良好的结果,误差基本都在10%以内。实现了管内相分离和流量的非介入式测量,为气液两相流计量提供了指导意义。     

气液两相流中液速的电化学测量

理论推导了扩散电流与液速的模型方程,得到了解析解。以此为基础,进行了气液两相中液速电化学测量仪的开发与研究,对电极的材料、形状进行了优选,对电极插入流场而引起的测量偏差进行了补偿,开消除了气相的干扰。应用该注速测量仪研究了下喷环流生物反应器中的液速分布,证实了该气液两相流中液速测量方法的可行性。     

大管径水平管气液两相分层流和环状流持液率模型

为得到准确的大管径水平管气液两相流的持液率预测模型,采用室内实验模拟和理论分析相结合的方法,研究了大管径水平管气液两相分层流和环状流持液率计算模型。结果表明:Barnea流型图不适用于大管径条件下的持液率大于0.1的流型判断,持液率随着气体表观流速增加而减小,随液体表观流速增加而增加。以双流体模型和Xiao模型为基础分别给出了分层流和环状流持液率计算新模型,持液率新模型对实验持液率的预测准确,平均绝对误差为5.9%,较现有5种持液率模型有了较大提高。     

应用强制环状流的湿气双参数测量方法

针对湿气中液相含量测量困难以及湿气流型对测量精度影响较大的问题,首先设计了一种由旋流器和文丘里管喷嘴组成的湿气双参数测量装置。该装置利用旋流器将湿气调整成强制环状流,引入了用强制环状流状态下文丘里管喷嘴节流压差与离心压差之比表示的无量纲数M,分别确定了湿气虚高和液气质量流量比与M和气相弗劳德数Frg之间的关系,进而建立了湿气双参数测量模型。通过数值模拟对测量装置内的流场特性进行了分析,并搭建室内实验平台对建立的湿气测量模型进行了验证。实验结果表明:在气相弗劳德数为0.7～1.5以及Lockhart-Martinelli数为0～0.2的范围内,湿气气相流量测量误差在±3%以内,液相测量误差在±10%以内。该测量方法将为工业生产中湿气的实时测量提供一种新的思路,具有一定的工程意义。     

垂直管中向上气液两相环状流主要参数计算方法

在分析垂直管中向上气液两相环状流流态特征的基础上,利用二相流理论及Wallis相关经验公式,推导出了垂直管中上升两相环流参数的计算公式.与其他方法计算结果对比,此计算方法可以较准确地计算出环状流重要参数,计算结果与实测数据较吻合.该分析计算方法简单易行,可通过简单的计算机编程实现.该方法可用于天然气井的排水采气生产以及油井生产中环状流的分析计算.     

水平管内气液环状流液膜及扰动波特性

针对重力引起的水平环状流液膜厚度沿周向分布的不对称性,用5组双平行电导探针测量了周向5个角度处的瞬态液膜厚度随时间的变化.分析了平均液膜厚度沿周向的分布及其随气、液折算速度的变化特性.运用时频分析方法研究了环状流扰动波信号的概率密度函数、概率分布函数、自相关函数、互相关函数以及功率谱密度函数的基本特征,揭示了扰动波的特性及其沿周向的频率分布规律,为水平环状流液膜厚度的预测模型提供了实验依据.     

基于非均质多相流模型的液舱晃荡数值模拟

应用非均质多相流模型对不同装载率和激励频率下矩形液舱的横摇晃荡运动进行了数值模拟.分析了液体重心的横向和纵向运动情况,计算了不同工况下自由液面形状与速度场分布以及舱壁测点处压力的时间历程和相应的功率谱密度.模拟结果与均质模型计算结果和试验结果的对比分析验证了非均质模型在模拟液舱晃荡时的优越性.     

偏心环状管流的数值模拟

在全面调研了国内外关于偏心环状管道层流的研究文献之后,发现几乎都利用经验公式或近似估计式进行水力计算,这与石油工业中的广泛应用不相适应。根据流体力学中N-S方程对层流的描述,再结合力学理论,对偏心环状管流的界面提出严密而科学的界面耦合条件,得到了完整描述偏心环状管流的适定的偏微分方程组,然后通过数值模拟,得到了偏心环状管流的数值解。     

液体填塞流的持液率与压力降研究

以不同粘度的流体为液相，在垂直管中研究了液体填塞流（包括弹状流，块状流和泛出流）的持液率和压力降，研究结果表明，对于不同粘度的液体，填塞流的持液率都随无量纲气流体积通量的增大呈对数规律减小，总压力降随气流体积通量也近似呈对数规律变化，研究同时发现，液体填塞流的摩擦阻力压力降为负值且存在极值点，摩擦阻力压力降在总压力降中所占的百分比与气流体积通量的关系存在拐点，拐点处在应于弹状流向块状流的流型转变。     

PVF2膜传感器在模型桩动测系统中的应用

建立了一套高精度的模型桩动测系统，首次采用新型聚偏二氟乙烯（PVF2）薄膜压电式传感器及光栅位移传感器分别测试桩端力和位移。该系统可以同时获得模型桩在轴向冲击力作用下，桩端力和位移、桩顶力和加速度4组信号。经验证，由PVF2膜传感器获得的值与计算值吻合较好。该系统对应用应力波理论进行模型桩多参数试验研究及桩端阻力测试是适宜的。     

水合物藏钻探中的环空多相流溢流特性研究

含天然气水合物相变的环空多相流动问题是天然气水合物藏钻探过程中井筒流体力学问题的一个关键．考虑天然气水合物的相变,建立了溢流期间环空各相流体的连续性方程、动量方程以及能量方程．模拟计算结果表明：溢流期间,天然气水合物的生成区域会随着循环流量的增大或抑制剂浓度的提高而减小,可通过增大流量和抑制剂浓度使水合物的生成区域脱离海底,减小防喷器管线被堵塞的危险;水合物的生成使环空中气体体积分数降低,泥浆池增量减小,给溢流检测带来延迟;当检测到有气侵发生时,水合物藏分解速率比较小时,井筒中生成水合物的可能性要比分解速率大的情况下更为严重;水合物相变对井底压力的影响较小,在工程中计算井底压力时可以忽略;由于天然气水合物的生成使得关井套压值不能真实反应气侵情况,而且随着时间的增加情况会更加严重．     

气举柱塞偏心环空间隙流场数值分析

柱塞气举利用井底压差推动柱塞沿井筒运动,依靠柱塞与管壁间隙密封举升上部液体至井口,达到排水采气目的。目前,针对柱塞实际运动中发生偏心对气举密封的影响认识不够清晰,导致无法进一步优化柱塞密封结构和工艺参数。为此,利用气液两相分层流动数值计算方法,讨论了紊流槽内相含率和速度场变化规律,并分析其多道密封机理,获得不同偏心距导致的环空间隙差异条件下柱塞密封效果。研究结果表明：当柱塞与油管轴线处于同心状态作业时,根据特定场合设计的柱塞外壁紊流槽的密封效果可以满足气举要求,但由于柱塞运动时很难保证同心,随偏心距逐渐增大,柱塞与油管间隙增大导致其密封效果逐渐变差。在偏心距为0.9 mm时,窜气量相比同心状态增加140.33%,大量气体发生滑脱;偏心距为1.5 mm时,液体以0.29 kg·m-3的速度泄露至柱塞下方区域。故偏心状态对气举柱塞密封性能的影响不容忽视,对此修正柱塞偏心环空状态下的运动方程,以探究柱塞偏心后对启动压力和单次循环排液量的影响。     

部分充液罐车动力学特性的数值模拟与分析

为了保障罐车的运输安全,针对罐车罐体内液体的动力学特性进行了研究.基于欧拉-欧拉多相流模型对罐车在公路制动和转弯过程中罐体内液体的晃动过程进行了数值模拟,通过改进罐车转弯时横向离心力的施加方式,建立了一种更为准确的罐车运动物理模型,同时分析了充液比、刹车速度和转弯半径对罐车罐体运动状态的影响,并提出了一种数值计算方法.模拟结果表明:罐车制动时在行进方向上的受力随充液比的增加非线性增大,随减速度的增大线性增大;罐车转弯时所受的横向稳定转矩随充液比的增加线性增大,随转弯半径的变化非线性变化.所提方法可以计算获得罐车转弯过程中的最小临界转弯半径,这对于保证罐车的安全运行,尤其是装有化学试剂的罐车具有重要的参考价值.     

基于多相流模型的纳米流体在水平细圆管内强制对流换热数值模拟

运用2种多相流模型模拟了纳米流体在细圆管内的强制对流换热特性,并与已有文献的实验值和传统流体经验公式的计算值进行对比.其中,采用混合模型和欧拉模型分析了雷诺数、纳米颗粒体积分数等物理量对换热特性的影响.结果表明:在纳米颗粒体积分数较低时,模拟值与其实验值及经验公式的计算值相差不大;随着纳米颗粒体积分数增加,其非常规的流体特性逐渐突出,当纳米颗粒体积分数达到一定值时,常规的流体经验公式已不再适用,纳米流体换热呈现出一定的多相流特性,且多相流模型的模拟值更接近于其实验值,表明运用多相流模型能够模拟纳米流体的换热特性.     

液氮在狭缝通道内受迫流动沸腾换热的实验研究

对液氮在0．5－1．5mm狭缝通道内受迫流动沸腾换热的情况进行了研究,实验结果表明：液氮在弦月形猴缝通道中的受迫流动沸腾换热系数是传统大直径光管池沸腾的3－5倍,与热虹吸狭缝通道内沸腾传热相比,当热流密度高于10kW/m2时,受迫流动沸腾在换热温差和换热系数两方面有明显优势,液氮受迫流动沸腾换热系数随质量流速的增加而增加,随热流密度增加的趋势更为显著,狭缝间隙尺寸减少,换热效果增强,弦月形通道与环缝通道相比,在相同的条件下,弦月形通道显示更好的换热效果。     

液体发射药动态压缩过程数值模拟

建立了液体药受到连续压缩和动态冲击载荷2种情况下的数学物理模型,并用差分格式进行了数值模拟,得到了液体药在受到连续载荷和动态冲击载荷压缩过程中的物理参量变化规律。计算表明,只有机械能转换成内能是不能引起液体发射药着火燃烧的。这对研究液体发射药火炮的射击安全性具有参考意义。     

液体药火炮中多相反应流动的数值计算方法

针对再生式液体发射药火炮内弹道过程中多相反应流动的基本方程，报道了ＡＬＥ法（任意拉格朗日－拉法）在其数值计算中的具体发展和应用，并对３７ｍｍ再生式液体发射药火炮中的气液喷雾反应流动进行了计算。     

测量小流量的切向式涡轮流量传感器的仿真与实验

为深入研究切向式涡轮流量传感器的工作机理,推导了流体对涡轮叶片的驱动力矩,得出切向式涡轮流量传感器仪表系数的数学表达式.依据湍流模式理论以及计算流体力学,提出涡轮转子Z方向力矩平衡分析法实现对涡轮转速θ的准确预测,进而对切向式涡轮流量传感器三维流场进行了分析,得出仿真仪表系数计算公式.全量程内仿真仪表系数KS与物理实验标定的仪表系数KP的对比表明,模拟计算仪表系数相对误差最大值为7.51%,说明构建的数值模型以及提出的分析方法能够准确反映切向式涡轮流量传感器内部流体的流动特性.     

非线性激励作用下载液容器内液体晃动的数值模拟

通过对周期性边界激励下的圆柱形容器内液体晃动的数值模拟,分析了载液容器壁面受力与外部激励频率、摆动半径之间的变化关系,以及液体晃动幅值、频率与外部激励频率、摆动半径之间的变化关系.分析结果表明:载液容器内的液体在经历了一段调整期后,晃动幅值趋于稳定,晃动频率接近激励频率;当外界的激励频率接近液体固有频率时,液体晃动幅值增大,对容器壁面产生的冲击力增大;液体的晃动频率与摆动半径无关,晃动幅值随摆动半径的增大而减小.该结果对于非线性激励作用下载液容器内液体晃动的研究、保证载液容器的运行的安全,具有重要的参考价值.