气液两相流动界面输运过程研究

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两流体模型作为能够准确描述两相流动的解析模型,分别给出两相流体各自的守恒方程,由于两相彼此之间并不是独立的,模型引入了相间的传递项,包含质量、动量和能量的传递项是通过相间界面进行输运,相间传递量和界面面积与界面驱动能力成正比。本文主要内容是气水两相界面输运过程的研究。对存在于两相界面上的气泡所受的表面力进行计算和分析,结合光纤探针测量得到的实验数据,修正了界面面积输运方程中的源项与汇项,为利用两流体模型解决两相流动问题做出理论和实验数据的积累。  两相流动中气泡主要受到轴向方向的曳力、虚拟质量力和径向方向的升力、湍流扩散力和壁面力。结合实验数据,给出了各个微观力在局部径向位置的分布特性,对于影响气泡径向运动的主要因素——升力进行了研究,根据实验数据验证当气泡直径超过临界尺寸后受到的升力的方向会改变。利用气泡径向受力的平衡方程求解局部空泡份额,预测值与实验测量值符合较好。  根据本实验条件,给出界面面积输运方程的径向表达形式,修正了方程右侧气泡相互作用中的随机碰撞和湍流影响两项,利用二元碰撞理论重新推导了二者的表达形式。使用该径向界面面积输运方程对局部界面面积浓度的径向分布进行预测,在充分发展的泡状流中,由于湍流导致的气泡融合与破裂的几率并不大,在近壁区预测值与测量值偏差较大,因为近壁处尾流区内的气泡运动除了受到尾流效应引起的轴向加速,还有受到来自壁面的排斥影响,使其运动规律复杂,导致尾流夹带项的计算不准确。结果表明相比于空泡份额气泡相互作用引起的界面面积浓度的变化占据的比例很低,随着液流量的增加,空泡份额变化引起界面面积浓度改变量的比例减小,而气泡相互作用项的比例由于湍流流动增强而增加,但是因为气泡密度降低,二者引起的整体界面面积浓度改变量减小。  根据光纤探针测量方法获取的实验数据,基于Ishii模型给出了一个新的计算截面平均的界面面积浓度的计算关系式,其平均计算误差约为15.89%,可以尝试用于大管中界面面积浓度的计算。
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