水平并联管系统中两相流流量分配的理论及实验研究

在空气－水两相流试验台上，对水平放置集箱的Ｕ型和Ｚ型并联管系统中的两相流流量分配特性进行了理论和实验研究，着重对水平并联管中两相流流量分配规律进行了理论上的分析和推导，得到了计算各支管流量的计算式，并用实验进行验证，其计算结果和实验结果符合较好，研究结果对两相流并联管束的工程设计具有重要的参考价值。     

超临界压力变压运行水冷壁中间集箱汽-水两相流分配特性的实验研究

超临界变压运行直流锅炉在启动和低负荷运行时,汽-液两相混合物通过水冷壁中间分配集箱后,在垂直水冷壁中要进行流量和相的再分配,存在着流量偏差较大和水冷壁出口汽温偏差较大的可能性,影响锅炉的安全运行.针对这一问题,以600 MW超临界锅炉过渡段水冷壁中间分配集箱及垂直水冷壁为研究对象,在压力10~21 MPa、分配集箱引入管质量流速400~1 200 kg/(m2.s)、干度0.7~1.0范围内,对垂直水冷壁管的分配特性进行了深入的实验研究.结果表明:影响分配集箱并联支管相分配和汽液两相流流量分配的主要因素为引入管质量流速、干度及分配集箱压力.随着分配集箱引入管质量流速的增加,相分配及流量分配的均匀性增强.当分配集箱的工作压力增加时,分配集箱并联支管间干度分配及流量分配的均匀性增加.并联支管间干度分配的不均匀性随着分配集箱入口干度的增加而减小,而入口干度对流量分配的影响规律较复杂,没有明显的变化规律.研究结果不但对保证超临界锅炉安全、高效运行具有重要的工程意义,而且为我国发展具有自主产权的超临界锅炉提供设计依据.     

自然循环两相流系统压降特性研究

两相流压降特性是两相流稳定性研究中的重要特征参数，不同类型的不稳定有不同的压降特性与之对应。本文在清华大学核能技术设计研究院的５ＭＷ热工水力模拟实验台架上对自然循环条件下两相流压降与系统流量的关系进行了实验研究。对自然循环和强迫循环流动中压降流量特性进行了比较。实验发现在发生振荡时，压降与流量反相，加热段入口欠热度保持不变。在压降流量相图上，振荡呈现为逆时针方向周期６ｓ的极限圈。     

Z型集箱连接系统单相流体的流动特性

分析了电站锅炉并联管组单相流体流量偏差计算的现有标准方法存在计算误差的原因．通过建立更接近真实的物理模型,研究了Ｚ型集箱连接系统单相流体的流动特性,获得了理论解．实例对比计算表明,实际流量偏差越大,现有标准方法产生的计算误差越大．本文的工作为准确计算Ｚ型集箱连接系统单相流体流量偏差,提供了一种有效的方法．     

水平管顶部破口入口蒸汽含汽率

以高压汽液两相流为工质，采用γ射线衰减技术，在西安交通大学高压汽液两相流实验台架上进行了水平管顶部破口入口蒸汽含汽率的实验研究，对高压饱和水的γ射线衰减规律的标定表明，其质量减弱系数基本上为常数，获得了破口入口蒸汽含汽率与无量纲数ｈ／ｈｂ的关联式。发现在水平管破口入口区域，由于两相工质的加速引起的Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ效应，导致破口入口压力有较大的降低，这一点对预测流过破口的临界质量流速影响较大。     

水平管气液环状流在新型分配器中的分配研究

设计了一种新型三通型两相分配器，该分配器主管侧壁均匀分布着直径均为3．5mm的8个小孔，主管中的气液混合物通过安装在主管外壁上的环室进入侧支管．通过在空气一水实验台上对水平管气液环状两相流通过该分配器进行的实验研究发现：与传统三通分配器的分配特性不同，该分配器的液相会优先进入侧支管．建立了相分配模型，认为对于环状流，通过管壁小孔的液膜将被小孔捕获，从而进入侧支管．该模型还提出了分配影响区修正系数，实验发现该系数与入口干度成线性关系．预测的气液相分流系数、主管出口与直通管间压力损失与实验结果吻合得很好，最大误差为7．24％．     

两相流板翅式换热器入口分配特性的实验研究

实验研究了板翅式换热器入口两相流分配不均匀性问题．结果表明：两相流在换热器入口截面上的分配不均匀主要体现在液相上，其中又以横向不均匀为主；气体雷诺数及干度对两相流的分配特性有很大的影响；对于整个横截面上的二维分布情况，气相与液相的分配不均匀度均随着气体雷诺数的增大而增大，液相的不均匀度随着干度的增大而增大，气相的不均匀度随着千度的增大而减小；气体雷诺数的变化主要影响液相在横向上的分配特性，干度的变化主要影响液相在纵向上的分配特性．     

基于分时原理的气液两相流量测量

取样式多相计量要求取样流体与主管被测流体保持稳定的比例关系,基于这点,为保证取样的代表性,根据从时间上对多相流体进行取样的分时分配原理,设计了基于该原理的转轮型分配装置,实现了气液两相流量测量。利用空气-水为实验介质,在气液两相流实验系统上进行了实验验证。实验中出现的流型包括波浪流、环状流及弹状流,在实验范围内进入取样回路的气液相流量与主管被测流量保持稳定的线性关系,液相、气相流量测量最大误差分别为7．3％和7．5％。     

考虑扁管换热的平行流蒸发器制冷剂两相分配特性

考虑换热扁管中制冷剂的相变过程，采用SST（shear stress transm ission）k-ω湍流模型和Eulerian-Eulerian两相流模型对平行流蒸发器内的制冷剂两相分配特性进行研究。发现制冷剂质量流量和入口干度的增加均会导致制冷剂分配均匀性下降：当制冷剂质量流量从15g·s^-1增加到25 g·s^-1，入口干度从0增加到0.3时，总流量分配不均匀指标分别升高39.4%和50.8%。适当增加出口集管内径和蒸发器长宽比有利于改善制冷剂分配的均匀性：出口集管内径增加一倍，总流量分配不均匀指标降低41.8%；长宽比从1.005增大到1.455，制冷剂分配不均匀指标降低21.6%。     

细管内氮气-过冷水环状两相流传热特性实验研究

利用高速氮气和过冷水在竖直细小管内形成环状两相流并对其传热特性进行了实验研究．管长和管内径分别为400和2．3mm,氮气流速变化范围10～40m／s,入口初始氮气和水温变化范围16～60℃,壁面热流密度变化范围1～100kW／m^2．实验探讨了各种气液流动条件、加热条件等系统参数对环状两相流传热传质特性的影响．结果表明,竖直细小传热管内环状两相流表现出优异的强化换热特性,适用于高热流密度、低壁温的冷却条件,实验数据和数值模拟结果较为吻合。     

超临界循环流化床下降水冷屏流量分配特性试验研究

针对350 MW超临界循环流化床锅炉的结构参数,建立空气-水试验台,模拟了超临界循环流化床锅炉在25％、50％和70％3种额定负荷下气液两相流在下降水冷屏并联支管中的分配特性.采用快关阀门法和分相测量法分别测量了下降水冷屏各并联支管内的体积流量含气率分布、干度分布、各相流量分布和差压分布.试验发现:在进口集箱干度为0.3～0.9的范围内,25％负荷下的体积流量含气率、千度分布和差压分布最均匀,并且随着锅炉负荷的增加,各并联支管内的相分配偏差增加;25％负荷下各并联支管内各相的流量分配均匀性最差,并且随着锅炉负荷的增加,各并联支管内流量分配均匀性得到改善.     

平行流蒸发器制冷剂流量分配特性

采用标准k-ε模型和Eulerian模型对平行流蒸发器集管内两相制冷剂分配特性进行模拟,发现在集管加入分流管后,制冷剂流量分配不均匀性得到明显改善.在此基础上,分别对扁管插入集管的深度、分流管开孔率对流量分配的影响情况展开分析.发现当扁管伸入集管深度大约在分流管下方1/2时流量分配均匀性最好;对比不同开孔率时的流量分配情况,发现随着开孔率的增大流量分配均匀性先变差后变好,之后随着开孔率进一步增大,流量分配均匀性又变差.分流管在小开孔率下,需要注意与制冷系统中节流阀的匹配.     

自然循环工况下倒U型管蒸汽发生器管内倒流的数值计算分析

在自然循环工况下,倒U型管蒸汽发生器(inverted U-tube steam generator,UTSG)内有部分倒U型管会发生倒流现象,严重影响一回路系统的自然循环能力.采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对自然循环工况下UTSG一次侧流体的流动特性进行三维数值模拟研究.结果表明:在低质量流量下,倒流集中发生在短管侧,而等长倒U型管中同时出现了倒流和正流的现象,这与入口腔室分配给各个倒U型管的初始质量流量有关.随着UTSG入口质量流量的增加,UTSG倒流管数减少;随着一次侧入口温度的升高,UTSG进出口压降为负值,压降绝对值逐渐增大,倒流管数增多.     

积液型两相流分配器的性能与优化

摘要： 试验研究了带有复杂入口管的积液型两相流分液器在不同干度和质量流量条件下的分液均匀性.结果表明：当干度增大时,分液器的分液均匀性下降;当质量流量增大时,分液器的分液均匀性得到改善;各工况下分液器分液的流体质量流量标准偏差（STD）的平均值为2.80%.同时,对复杂入口管进行了计算流体动力学模拟,提出了一种能够有效降低入口管形式影响的新型双筒体型分液器,并通过试验加以验证.验证试验结果表明,在各工况下,双筒体型分液器分液的STD的平均值为2.36%,比积液型分液器的分液均匀性提高了15.7%.     

并联管路气液两相流分流实验与数值模拟

为了研究气液两相流在并联立管中的分流状况,在实验室中建立了带有并联立管的气液两相流流动回路。建立了气液两相流分流数学模型,通过数值模拟方法对气液两相流分流进行研究。实验过程中发现了并联立管中三种不同的流动状态分别为弹状流-弹状流、搅混流-搅混流以及弹状流-搅混流。实验结果表明当并联立管中的流动状态为弹状流-弹状流时,两根立管中的压降相同,但是并联立管中的液塞排出并不具有同步性,可能产生偏流状况。在气液流速较高的搅混流-搅混流时两相流在并联立管中始终处于均匀分配状态。介于两者之间的弹状流-搅混流,并联立管中的压降产生较大的偏差,气液两相流流量更倾向于搅混流一侧流出,此时并联立管中产生严重的偏流状况。数值模拟过程中,通过对并联立管出口持液率进行监测,在较低的气液速下两相流并不能够均匀分配,但是在较高的气液速下,两相流始终处于均匀分配,可见所建立的数学模型具有良好的准确性。     

电站锅炉分配集箱静压分布参数的确定

借助分配集箱微元控制体动量方程中静压分布参数与动量交换系数的关系，及三通中直管局部阻力系数的表达式，推导出分配集箱静压分布参数的表达式．该表达式考虑了集箱结构尺寸和沿长度方向静压分布参数的不同，其计算结果与实验结果相符．应用该式可方便、准确地计算出分配集箱沿集箱长度方向的静压分布．     

管内油气两相流流量变化瞬态过程研究

为了给油气两相流管线的设计和运行的安全性提供参考依据,并为油气两相流瞬态模型研究提供检验数据,对流量改变引起的油气两相流瞬态过程进行了详细实验研究．实验系统的管路采用管径为２９ｍｍ,总长为１８ｍ的有机玻璃管道,由水平段、垂直上升段和垂直下降段三种管道布置组成;实验工质为３０＃机油和空气．在垂直下降段、水平段和垂直上升段设置测量段,测量压力、压降、含液率和流型;用微机数据采集系统实现自动连续采集,能得到流动参数快速变化的详细信息．该系统可同时采集１６路信号,采集频率为１ｋＨｚ．实验发现,增加气相流量时压力会陡然增加,超过最后的稳态值,出口流量也会出现瞬间峰值,增加液相流量和分别减小两相流量的操作不会引起超越稳态值的问题,因此在油气两相流管线的设计和运行操作时应考虑气相流量增加过程中出现的极大值超越稳态设计值所带来的技术问题．     

下降管内壁激冷水降膜流动特性

为了研究Texaco气化炉激冷室下降管内气液两相流动特性,在不考虑气液两相热质传递的条件下,采用数值方法探讨了激冷水流量、入口气体速度对下降管内壁降膜的流动特征、流型与断裂所产生的影响.结果表明,随着激冷水流量增大,下降管内壁降膜连续性越好,气体速度对降膜结构的影响相对较小.当激冷水流量保持不变的情况下,降膜入口速度对降膜连续性的影响比降膜入口厚度的影响显著,增加降膜入口速度对抑制降膜断裂具有更为重要的作用.     

变制冷剂流量制冷循环性能与气液两相流流型的研究

实验应用流动显示方法,发现变制冷剂流量制冷循环的蒸发器入口(也是膨胀阀出口)的制冷剂流动存在两类不同的气液两相流流型--液气分相流和泡气分相流,并且存在流型转变的过渡区域.在不同的气液两相流流型时,变制冷剂流量制冷循环的制冷量、过热度、排气温度等性能截然不同,在流型转变的过渡区域,制冷循环处于波动之中.     

气液两相流临界分配特性及相分离控制

为实现对气液两相流的均匀分配,提出了一种由旋流叶片、整流器以及两个分流喷嘴组成的新型分配装置。其工作原理是:通过旋流叶片将来流调整为均匀环状流型,以保证两分流喷嘴入口接触气液两相流的几率相等;通过喷嘴加速两相流达到当地声速,形成临界流动,以克服喷嘴下游各支管路阻力特性不一致所导致的相分离。在气液两相流实验环道上开展了实验测试,实验分配器分流喷嘴喉部直径为8mm,扩张角为21°。实验气相折算速度范围为7~20m/s,液相折算速度范围为0.013~0.16m/s,出现的流型包括波浪流、段塞流以及半环状流。结果表明:在喷嘴喉部气液混合物速度达到声速的条件下,气液相分流系数接近理论值0.5,不受上游流型以及气液流速的影响。侧支管干度与主管干度最大偏差小于±5%,而当液相折算速度小于0.02m/s时,无法形成均匀环状流,气相更容易进入侧支管。提高液相折算速度以及喷嘴差压在分配总压降中所占比重,将有助于降低相分离程度。所提出的分配器结构紧凑,无分离装置和控制元件,基本无需维护,有望在高压两相流分配系统中获得广泛应用。