在动力工程、石油化工、核能利用等领域广泛存在着气液两相流体绕流柱体的流动现象,在一定流动条件下气液两相流在柱体后部形成交替脱落的旋涡,并诱发柱体受到交变力的作用,由此产生的损伤不仅威胁到设备运行的安全,而且会大大缩短工业设备的使用寿命。为了更深入了解气液两相流与柱体相互作用的机理,揭示气液两相旋涡的形成和演化特性,给工业设备的优化设计和安全运行提供科学可靠的依据,本文在国家自然科学基金项目(No.50676017)和教育部科学技术研究重点项目(No.206037)资助下,对垂直上升矩形管道内气液两相流绕圆柱体、旋转正方形排列管束的旋涡脱落特性进行了实验研究和数值模拟。具体内容为:(1)搭建了气液两相绕流试验台,两相流介质采用常温清水和压缩空气。可以在垂直上升的矩型截面实验段内研究细泡状流绕圆柱和管束流动的各种动态特性。设计了一个可连续多角度测量的圆柱表面压力测量装置,实现单个传感器在相同工况下的多点压力测量,并建立了一套用于测量圆柱表面脉动压力和旋涡脱落频率的动态数据采集与分析系统。为研究错列管束间气液两相流场的旋涡形成和演化特性,建立了一套高速动态图像采集与分析系统,实验使用分辨率为768×512像素,拍摄速度为1000fps。(2)实验测量了气液两相流绕直径35mm圆柱时不同含气率和雷诺数下圆柱表面的脉动压力、时均压力分布规律。实验结果表明:含气率对圆柱表面时均压力系数和脉动压力系数均有较大影响,随着含气率增大,时均压力系数的最小值逐渐减小,而脉动压力系数的峰值逐渐减小,背压逐渐增大,旋涡脱落位置不断后移;在本文实验范围内,雷诺数对脉动压力、时均压力影响很小。同时,利用旋涡脱落必然引起圆柱体两侧的压差变化的原理,测量了动态压差波动信号,采用功率谱分析方法得到了旋涡脱落频率,并分析了含气率和雷诺数对功率谱的影响。结果表明:随含气率增加旋涡脱落频率增大,功率谱能量减弱,当含气率大于0.1时,旋涡交替脱落现象消失。(3)采用高速动态图像处理方法研究了错列管束间两相旋涡的演化特性。通过动态图像重建了管束间旋涡的生成、卷吸、聚合的演化过程,定性分析了旋涡演化机理,运用图像相关性比较和统计方法分析了旋涡脱落的周期特征。分析表明:随节距比增大,斯特罗哈数是增大的,而斯特罗哈数随含气率的增大而减小,当含气率大于0.14时,不存在周期性旋涡脱落现象;随雷诺数增大旋涡脱落频率增加。(4)采用气液两相双流体模型,对不同节距比错列管束气液两相绕流的非稳态流动过程进行了数值模拟,得到了瞬态流场的流谱图及涡量和含气率分布,结果显示:上游圆柱没有发生旋涡分离,自由剪切层对下游圆柱形成包裹,旋涡对气泡形成卷吸,使含气率与涡量具有相同的分布特性。着重分析了节距比、含气率和雷诺数对旋涡脱落特性和管束脉动升力与时均阻力的影响,分析表明:不同节距比时下游圆柱的脉动升力系数最大,而时均阻力系数最大值均出现在中间管排上;存在一个临界节距比( S /d)cr,使脉动升力和时均阻力系数最小;小截面含气率(α=0.03、0.12)时,升力系数C L随雷诺数增加而减小,大截面含气率(α=0.2、0.3)时,升力系数C L随雷诺数增加而增大;各排管的时均阻力系数随含气率增加而减小。