不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

基于双耦合Duffing振子的气液两相流动特性分析

提出了双耦合Duffing振子仿真系统检测小通道气液两相流型信号的方法。搭建了双耦合Duffing振子仿真系统,针对流型信号的特征确定了3个关键参数:阻尼比、耦合系数和频率,并应用典型混沌信号Lorenz和R9ssler对该仿真系统进行了性能检测。在两相流型信号检测时,提取了振子振动的瞬时速度和位移2个特征值,并基于特征值对流型动力学特性及流型辨识进行了深入研究。结果表明:通过对典型混沌系统的检测验证,发现本文检测方法具有较好的抗噪能力,能够较好地表征典型信号的混沌特性。提取的2个特征值能够揭示出小通道气液两相流型转变过程中气液两相间的作用机理。系统的振子振动瞬时速度结合位移实现了小通道气液两相流典型流型的准确识别,有助于其他不同介质的多相流动特性分析与流型辨识。     

微重力下两相控温型储液器内气液界面仿真分析

两相控温型储液器对机械泵驱动两相流体回路的稳定运行起到关键作用,而储液器内部气液分布状态是其控温性能的决定性因素之一。在轨微重力条件下,储液器内两相流动特性与地面状态差别巨大,这将给储液器的设计带来较大难度。针对两相控温型储液器在轨微重力下的两相工质分布特性,通过计算流体力学（CFD）方法对其内两相流动行为进行数值模拟。通过使用连续表面张力模型计算表面张力,使用多相流计算的流体体积分数方法对两相控温型储液器内气液界面形态的发展进行了追踪预测,并与理论解进行对比,结果吻合一致。通过对两相控温型储液器在不同Bond数、接触角、工质充灌量等参数下的仿真分析,得到了不同条件下储液器内气液运动及分布情况,结果表明:两相控温型储液器内气液界面状态与储液器尺寸、壁面浸润性、工质充灌量相关。研究结果可以为微重力下两相控温型储液器内气液界面的控制提供理论依据,并能指导储液器研制及在轨应用。      

基于新型C4D的小管道气液两相流流型辨识方法

基于径向结构的电容耦合式非接触电阻抗检测传感器,结合小波包分析技术和K-均值聚类算法,提出一种小管道气液两相流流型辨识方法。首先,利用径向结构的电容耦合式非接触电阻抗检测传感器,获取反映被测流体信息的电阻抗测量信号实部信息和虚部信息。然后,采用小波包分解的信号处理技术将实部信息和虚部信息分别分为4个频率段,提取不同频率范围的能量分布情况,并与各自的均值、方差构成特征向量。最后,利用K-均值聚类算法进行模式分类,建立流型辨识模型。在内径为3.5 mm和5.5 mm的玻璃管道内进行验证实验,实验结果表明,所获得的传感器测量信号能反映流体流动信息,提出的流型辨识技术路线是有效的,流型辨识精度可达88%以上。     

动载对管内汽水两相流流阻、空隙率和传热的影响

利用旋转平台对动载作用下单相水和沸腾两相流流动及传热特性进行了实验研究.通过改变旋转速度、入口温度、液体流量等参数,获得了静止和旋转2种状态下的单相水及沸腾两相流实验数据.对旋转状态下的管内两相流型进行可视化拍摄,得到了动载作用下的两相流型图.结果表明,过载方向与流动方向相反时,过载越大,管内压力和流阻越大,液相流量、空隙率和流体得热量越小.可见,动载阻碍流体向前流动,强化了管外散热,削弱了管内流体的相变换热能力.     

K-均值聚类在CCERT系统流型辨识中的应用

流型是气水两相流的重要参数之一,对气水两相流的流动影响很大。基于电容耦合电阻层析成像(CCERT)系统,以水平管道气水两相流流型为研究对象,利用主成分分析(PCA)方法提取不同流型下采集到的电导率信息的主成分,消除不同电极对之间信号的冗余,进而结合K-均值聚类算法实现流型辨识。实验结果表明,该方法具有较高准确度,对于水平管道泡状流、层状流和环状流3种典型的气水两相流流型的静态辨识准确率可以分别达到97%、96%和99%,动态辨识准确率可以分别达到92%、90%和87%。     

顺载和管径对管内水沸腾两相流流动性的影响

利用地面转台旋转产生的离心力模拟飞行过载,并在此过载作用下进行了不同管径内沸水两相流实验.通过改变过载大小、管径、沸水流量等参数,得到沸水流动特性的初步变化规律,并对顺载作用下沸水的流型进行了拍摄.结果显示顺载和管径对沸水的流动会产生明显的影响.顺载作用使管内出现了一些新流型,并且增加了流动的不稳定性.压差随顺载的增大而减小,且管径越大其减小的程度越大.实验结果增加了动载下管道内工质流动特性的数据积累,同时对飞行器上蒸发循环制冷系统的理论分析和设计提供一定的借鉴和参考.      

气液两相流中气泡速度的电磁互相关测量

气液两相流作为一种工业领域中普遍存在的流态,在测量时需考虑气相和液相间的速度差。相较于流动规律平稳的气相而言,研究不稳定的气泡流动状态具有更高的技术难度。本文针对空气-水为工质的两相流中一项重要参数——气泡速度进行测量,引入基于互相关运算的电磁检测方法,通过提高系统激励频率得到较大的检测信号。实验设计了高频(1 MHz)电磁检测系统,选用垂直上升管道,并在管道的2个平行截面分别安装电磁传感器,每组传感器均包含一个激励线圈及一个接收线圈,对2组接收线圈上的相位信号进行互相关运算,从而求得气泡的速度。实验中,对3种不同速度气泡采集到的信号进行了对比分析,相对误差控制在10%以内,提供了一种完全非接触非侵入的测量气泡速度的方法。此方法可以进行后续补充完善,用于其他工业场合,如金属液中气泡参数的测量等。     

搅拌流内大振幅界面波特性研究

针对竖直管内不同工况下气液两相搅拌流内的大振幅界面波特征参数(波形、波幅、波长和频率等)及运动特性进行了实验研究,系统分析了流动参数对大振幅界面波特征参数及运动特性的影响规律。结果表明:由于重力和气流剪切力在大振幅界面波不同运动阶段的影响程度不同,大振幅界面波在运动过程中存在与气流先逆向后同向的运动特点,证明了液泛现象普遍存在于搅拌流内,揭示了造成搅拌流液膜振荡剧烈的原因;搅拌流内,大振幅界面波波形符合正态分布函数特征,且波幅较环状流内扰动波波幅大,但是波幅和波长变化趋势与环状流内扰动波变化趋势相似,即波幅和波长随着气速的增大而减小,随液量的增大而增大,且当气速较小时,临界波幅随着液量的增加逐渐趋于定值;而大振幅界面波平均产生频率随气速和液速的增大而增大。     

两相流中的速度分离和相关法测量

本文讨论两相流流动中的速度分离和相关法在两相流测量中的应用。在密度差别较大时,存在着不同介质间的速度分离,给相关法测量带来困难。但相关法仍是一种较好的选择。文中列举了速度分离的两种典型形式,并给出了气液两相流管道中的试验结果。在垂直管道中,很容易避免偏正型流动,实现各向同性的介质分布和较均匀的速度分布,流速测量比在水平管道上容易。用相关法在垂直管道上进行的测最一般反映被载介质的运动。     

Evaluation of using two-phase frictional pressure drop correlations for normal gravity to microgravity and reduced gravity

The calculation of two-phase frictional pressure drop (TPFPD) is required by two-phase systems operating under microgravity and reduced gravity. There are a large number of correlations for the TPFPD in tubes under normal gravity. However, it is hard to find out a TPFPD correlation obtained from microgravity and/or reduced gravity conditions, and thus people have to use TPFPD correlations for normal gravity to calculate TPFPD under microgravity and reduced gravity. It is necessary to evaluate the feasibility of such practice. This paper offers a comprehensive review of the TPFPD correlations for normal gravity and an up-to-data survey of the TPFPD experimental study under microgravity and reduced gravity. There are 23 TPFPD correlations for normal gravity reviewed and 135 experimental data under microgravity obtained from the literature. These experimental data are used to evaluate the reviewed TPFPD correlations. It is found that the smallest mean absolute relative deviation (MARD) of the correlations is greater than 34%. Using TPFPD correlations for normal gravity to reduced gravity and microgravity may be acceptable for the first approximation, but correlations intended for microgravity and reduced gravity are needed and more experiments are desired to obtain more data with high accuracy.     

DMFC内部气液两相流动与电性能的短时落塔实验研究

利用国家微重力实验室落塔提供的短时微重力实验环境,对常重力和微重力条件下直接甲醇燃料电池(DMFC)内部的气液两相流动形态和相应电性能等的影响进行了实验研究,发现在微重力条件下,DMFC阳极流道内CO₂气泡速度很小,气泡尺寸随着时间的推移而不断长大,甚至堵塞流道;流道堵塞现象随电流增大而急剧强化.电性能曲线显示,在浓差极化区存在显著的重力效应,电性能的恶化随浓差极化程度的加强而增大.      

Numerical simulations of water spray on flame deflector during the four-engine rocket launching

This paper aims to study on the cooling effect with two types of water spray nozzle on the flame deflector during the four-engine launch vehicle take-off. To accurately simulate the two-phase flow of the rocket gas with multispecies and the water spray, the three-dimensional compressible Navier-Stokes equations, discrete ordinates methods and realizable k-Ɛ turbulence model are used to establish the rocket supersonic plumes impact model. The Eulerian dispersed phase (EDP) model was used to simulate the water spray into the exhaust gas. The accuracy and effectiveness of the gas-liquid flow model are verified by a good agreement between simulation results and experimental data. On this basis, a series of numerical simulation studies under different water injection position are performed. The results show that the high temperature regions, along the axis of engines on the deflector plate, have no significant temperature decreasing effect by water spray from the nozzles mounted on the apex of the deflector, and the high temperature converts a large quantity of water into vapor near the plume boundary, which would decrease the flow conductivity. With the cooling spray nozzle fixed directly to the deflector plate, the temperature decrease effect is obvious and the effect of thermal shock on deflector plate induced by exhaust plume is reduced, so that it can prevent the flame deflector from thermal ablation. The study results provide indepth information and engineering guidance for designing the water spray systems and increasing the safety of the launch process.     

航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟

主要讨论了航天器贮箱在轨道航行时的微重力状态下其液体推进剂在贮箱内的形态分布及控制.文中采用VOF方法,加入了表面张力的效应,追踪气液两相流的自由界面,对液面在微重力条件下的位形变化进行了数值模拟.通过比较不同重力加速度及接触角下的两相流的相图,分析了影响贮箱中液体推进剂位形变化的主要因素及对其有效的控制方法.      

Gas bubble coalescence in reduced gravity conditions.

The effects of low gravity, as produced by a reduced gravity aircraft, the KC135, on the formation and coalescence of gas bubbles were examined over a range of gas-liquid ratios and with various medium constituents. These effects will influence design considerations of fermentors operating in reduced gravity conditions.