竖直矩形窄流道内气液两相流流动特性的数值模拟研究

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气液两相流系统广泛存在于许多工业过程中,如核能、石化和动力等工业过程中。由于气液两相流动的多变性和复杂性,随着不同参数的变化,流道内出现不同的流型及流动特性。而气液两相流流型在分析换热、流动不稳定性及临界热流密度等方面具有基础性的作用。同时,两相流流型反应了气、液两相流的相分布特性,对确定流体的换热特性及压降特性提供理论依据。因此,对矩形窄通道内气液两相流动的研究具有重要的意义。本文采用CFD方法,在商用软件Fluent平台下,基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,数值研究了竖直矩形窄、小通道内气液两相流动特性,并对实验工况进行数值模拟研究,结果得到了不同工况下气液两相流的流型特征,主要包括:泡状流、弹状流、搅混流和环状流等几种典型流型,与实验结果对比符合较好,验证了模型的正确性。对竖直矩形窄、小通道内气液两相流的流动参数进行研究,分析了各流型下的截面含气率和压降分布特性,结果发现:含气率和压降的分布与流型存在对应关系,可定性地判别流型类型。泡状流含气率很低,压降波动的频率及幅度也较小;弹状流由于气、液弹间歇的分布在流道中,使得中心区域截面含气率分布均匀,压降波动的频率和幅度增加;搅混流气泡在流道内流动很不稳定,截面含气率分布不均匀,压降波动的频率及幅度较大;环状流中心区域形成气环,截面含气率分布均匀,压降波动的频率及幅值较小。同时,本文绘制了不同工况下,竖直矩形窄、小通道内气液两相流型图,直观的显示了各流型分布区域及流型转变界限,在一定液相质量流量下,增大气相流量依次得到泡状流、弹状流、搅混流和环状流等流型。并研究了窄矩形通道内两相流流型差异,分析不同截面形状及尺寸等因素对流型特征及其转变特性的影响,窄矩形通道由于角区表面张力及气液间表面张力作用的增大,气泡易于发生碰撞、聚合和长大,使得泡状流和弹状流流型特征发生较大的改变;窄缝宽度越小,流型转变较提前发生。结果还对各流型间的转换机制进行了分析研究。两相流系统中,由于阻力及传热特性与流型密切相关,因此对气液两相流流型的研究十分重要。
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