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气液两相流是工业领域常见的流动工况,广泛存在于动力工业、核能工业、航空工业、化学工业、石油工业以及各种加工工业的换热设备之中。T型三通管是核动力装置及石化装置的管路系统中常见的分配元件。气液两相流体流过T型三通管时,侧支管和直通支管的干度会出现明显的差异,气液两相流的不均匀分配对于由平行支管组成的换热器的换热性能有很大的影响,流量分配不均将给蒸发器和冷凝器带来局部过热或过冷的问题,从而降低换热器的换热性能,因此关于气液两相流不均匀分配的研究一直为学者所关注。
本学位论文在国家自然科学基金会面上项目的资助下,研究探索空气一水气液两相流在微小T型三通内的相分配特性,水力半径锁定在1mm以下。
本文首先综述了气液两相流体相分离的研究现状以及主要研究方法,通过实验观察了两相流流型变化,本实验观察到的流型包括弹状流和环状流两种。当气相流速和液相流速均在0.01~0.1 m/s范围内,空气-水气液两相流在T型三通管内的流型表现为弹状流;当气体流速增加到5 m/s以上时,T型三通管内将出现环状流。
使用CFD商业软件FLUENT对T型三通内气液两相流动特性进行了数值模拟。通过分析气液两相流动的特点,选定了模拟气液两相在T型三通管内流动的模型-Mixture模型。采用稳态、隐式分离求解算法进行数值模拟,对T型三通管内相分配进行分析。数值模拟结果如下:
(1)在0.01~0.1 m/s范围内,当气相液相折算速度相等时,入口段长度对相分配无影响;
(2)侧支管与直通支管的夹角增大,会使侧支管中干度增大;
(3)当液相折算速度恒为0.05 m/s,气相折算速度在0.01~0.1 m/s范围内变化时,气相折算速度对相分配无影响;
(4)当气相折算速度恒为0.05 m/s,液相折算速度在0.01~0.1 m/s范围内变化时,液相折算速度增大,会使侧支管中空气干度增大。
(5)应用实验数据进行模拟,模拟结果与实验结果基本吻合。