T型管内雾状两相流相分离及压降特性数值研究

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以并联配管基本结构——T型管为研究对象,通过数值模拟水蒸气-水组成的雾状两相流在T型管内的流动特性及相分离规律,研究了不同流动工况下管内相分离变化规律,总结气液分配规律和压降变化趋势,比较了压降预测模型与数值模拟结果的一致性,验证了数值模拟软件FLUENT及Mixture两相流模型在研究T型管内雾状流流动分配的有效性及可靠性,为优化T型管两相流流动分配、指导两相流配管设计提供借鉴。获得主要结论如下:根据研究对象的两相流流型及流动工况,选定适用于含液率较低、液相以液滴状态存在的雾状流研究模型—Mixture模型,对水平放置的T型管内雾状两相流相分离进行模拟。探究了入口平均流速、含液率、液滴粒径、管径结构等因素对雾状两相相分离及压力影响变化规律。研究发现,气相比液相更容易进入侧支管;气相分流比受流动工况变化影响较小,雾状流在T型管内的流动分配受管径结构影响较小,但受气液流速、含液率及液滴粒径变化影响较大;随着气液流速及液滴粒径的增加,更多液相从直流支管流出;而含液率的增大可使两相流相分离现象减弱。分析了两相流在分流结构处发生相分离的原因。在忽略重力影响、不考虑相之间热质交换的条件下,气液两相惯性力差异导致其受侧支管漩涡"吸力"影响不同,且气液两相在分流结构处产生明显滑移,流体扰动及粘性变化均导致气相对液相携带能力的改变。综合分析,惯性力、两相作用力及流体的扰动是造成T型管内相分离的重要原因。两相流流经T型管时产生的不可逆压降AP12,AP13受流动工况变化影响明显。侧支管管径变化对△P12影响较小,但对△P13影响明显,管径比减小时,不可逆压降显著升高。△P12随着分流比的增加呈先增后减趋势,入口气液流速及含液率的增加,均会导致T型管不可逆压降的增加。针对两相流流经T型管时的压力损失,分别将模拟结果与直流支管两相流压降预测模型——ZT模型和CF模型,侧支管局部压降预测模型——HM、CM、QLM及PHM模型的计算结果进行对比,发现ZT模型对直流支管局部压降预测结果与模拟结果更为一致,HM、CM和QLM三种预测模型对侧支管局部压降计算结果基本一致,且与模拟结果的一致性优于PHM模型。两相流入口流速、含液率、管径比等因素对预测模型与模拟结果的一致性具有不同程度的影响。在管径比较大,侧支管分流比较小且入口流量较小情况下,预测模型与数值模拟所得压降结果一致性最好。
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