（熱能工程專業(yè)論文）氣液兩相繞流旋渦脫落特性的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究.pdf

月， 麓：“一 e x p e r i m e n t a ia n dn u m e r i c a iii i n v e s t i g a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i co f v o r t e xs h e d d i n go ng a s - - l i q u i d t p h z c r o s sf l o w w o - p h a s er o s s0 wi d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y i n t h e r m a le n g i n e e r i n g b y h o n gw e n p e n g s u p e r v i s e db y p r o f z h o uy u n l o n g s c h o o lo fe n e r g y , p o w e ra n dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a y 2 0 1 0 聲明尸明 本人鄭重聲明：此處所提交的博士學(xué)位論文氣液兩相繞流旋渦脫落特性的實(shí) 驗(yàn)與數(shù)值研究，是本人在華北電力大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立 進(jìn)行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論 文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出 貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 特此聲明。 簽名：) 型庭塑咯日期：塑! ! ! 笪7 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán) 保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或 其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱；學(xué)校 可以學(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文；同意學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌?媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定) 作者簽名：曼絲選翌雪 日 期：迎! 芝! ! ! l z 華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文 中文摘要 在動力工程、石油化工、核能利用等領(lǐng)域廣泛存在著氣液兩相流體繞流柱體的 流動現(xiàn)象，在一定流動條件下氣液兩相流在柱體后部形成交替脫落的旋渦，并誘發(fā) 柱體受到交變力的作用，由此產(chǎn)生的損傷不僅威脅到設(shè)備運(yùn)行的安全，而且會大大 縮短工業(yè)設(shè)備的使用壽命。為了更深入了解氣液兩相流與柱體相互作用的機(jī)理，揭 示氣液兩相旋渦的形成和演化特性，給工業(yè)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供科學(xué)可 靠的依據(jù)，本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( n o 5 0 6 7 6 0 1 7 ) 和教育部科學(xué)技術(shù)研究重 點(diǎn)項(xiàng)目( n o 2 0 6 0 3 7 ) 資助下，對垂直上升矩形管道內(nèi)氣液兩相流繞圓柱體、旋轉(zhuǎn)正 方形排列管束的旋渦脫落特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。具體內(nèi)容為： ( 1 ) 搭建了氣液兩相繞流試驗(yàn)臺，兩相流介質(zhì)采用常溫清水和壓縮空氣?？?以在垂直上升的矩型截面實(shí)驗(yàn)段內(nèi)研究細(xì)泡狀流繞圓柱和管束流動的各種動態(tài)特 性。設(shè)計(jì)了一個(gè)可連續(xù)多角度測量的圓柱表面壓力測量裝置，實(shí)現(xiàn)單個(gè)傳感器在相 同工況下的多點(diǎn)壓力測量，并建立了一套用于測量圓柱表面脈動壓力和旋渦脫落頻 率的動態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。為研究錯(cuò)列管束間氣液兩相流場的旋渦形成和演化 特性，建立了一套高速動態(tài)圖像采集與分析系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)使用分辨率為7 6 8 x 5 1 2 像素， 拍攝速度為1 0 0 0 f p s 。 ( 2 ) 實(shí)驗(yàn)測量了氣液兩相流繞直徑3 5 m m 圓柱時(shí)不同含氣率和雷諾數(shù)下圓柱 表面的脈動壓力、時(shí)均壓力分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：含氣率對圓柱表面時(shí)均壓力 系數(shù)和脈動壓力系數(shù)均有較大影響，隨著含氣率增大，時(shí)均壓力系數(shù)的最小值逐漸 減小，而脈動壓力系數(shù)的峰值逐漸減小，背壓逐漸增大，旋渦脫落位置不斷后移； 在本文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，雷諾數(shù)對脈動壓力、時(shí)均壓力影響很小。同時(shí)，利用旋渦脫落 必然引起圓柱體兩側(cè)的壓差變化的原理，測量了動態(tài)壓差波動信號，采用功率譜分 析方法得到了旋渦脫落頻率，并分析了含氣率和雷諾數(shù)對功率譜的影響。結(jié)果表明： 隨含氣率增加旋渦脫落頻率增大，功率譜能量減弱，當(dāng)含氣率大于0 1 時(shí)，旋渦交 替脫落現(xiàn)象消失。 ( 3 ) 采用高速動態(tài)圖像處理方法研究了錯(cuò)列管束間兩相旋渦的演化特性。通 過動態(tài)圖像重建了管束間旋渦的生成、卷吸、聚合的演化過程，定性分析了旋渦演 化機(jī)理，運(yùn)用圖像相關(guān)性比較和統(tǒng)計(jì)方法分析了旋渦脫落的周期特征。分析表明： 隨節(jié)距比增大，斯特羅哈數(shù)是增大的，而斯特羅哈數(shù)隨含氣率的增大而減小，當(dāng)含 氣率大于0 1 4 時(shí)，不存在周期性旋渦脫落現(xiàn)象；隨雷諾數(shù)增大旋渦脫落頻率增加。 中文摘要 ( 4 ) 采用氣液兩相雙流體模型，對不同節(jié)距比錯(cuò)列管束氣液兩相繞流的非穩(wěn) 態(tài)流動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了瞬態(tài)流場的流譜圖及渦量和含氣率分布，結(jié)果 顯示：上游圓柱沒有發(fā)生旋渦分離，自由剪切層對下游圓柱形成包裹，旋渦對氣泡 形成卷吸，使含氣率與渦量具有相同的分布特性。著重分析了節(jié)距比、含氣率和雷 諾數(shù)對旋渦脫落特性和管束脈動升力與時(shí)均阻力的影響，分析表明：不同節(jié)距比時(shí) 下游圓柱的脈動升力系數(shù)最大，而時(shí)均阻力系數(shù)最大值均出現(xiàn)在中間管排上；存在 一個(gè)臨界節(jié)距比( s a ) 。，使脈動升力和時(shí)均阻力系數(shù)最??；小截面含氣率( 口= 0 0 3 、 o 1 2 ) 時(shí)，升力系數(shù)c ，隨雷諾數(shù)增加而減小，大截面含氣率( 口= 0 2 、o 3 ) 時(shí)，升 力系數(shù)c ，隨雷諾數(shù)增加而增大；各排管的時(shí)均阻力系數(shù)隨含氣率增加而減小。 關(guān)鍵詞：氣液兩相繞流，錯(cuò)列管束，實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)值模擬，旋渦脫落，升力，阻力 a b s t r a c t t h ep e r i p h e r a lf l o wo fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l u i de x i s t si nav a r i e t yo fi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s ，e g t h ep o w e re n g i n e e r i n g ，p e t r o l e u mc h e m i c a li n d u s t r y ，n u c l e a rp o w e r u s e t h ea l t e r n a t i n gv o r t e xw i l ls h e df r o mt h ec y l i n d e ri nac e r t a i nf l o wc o n d i t i o n s ， w h i c hw i l ll e a dt h ec y l i n d e rv i b r a t i n gc a u s e db yt h ea l t e r n a t i n gf o r c ei n d u c e db yf l u i d ， a n dt h e nt h ed a m a g e sn o to n l yt h r e a t e nt h es a f e t yo fe q u i p m e n to p e r a t i o n ，b u ta l s o r e d u c et h es e r v i c el i f eo fi n d u s t r i a l e q u i p m e n tg r e a t l y i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h eg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o wa n dt h e c y l i n d e r ，r e v e a lt h e f o r m a t i o na n de v o l u t i o np r o p e r t i e s o ft h eg a s - l i q u i dt w o p h a s ev o r t e x ，a n dp r o v i d et h e s c i e n t i f i cb a s i sf o ri n d u s t r i a le q u i p m e n t so p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt h es a f e o p e r a t i o n ， b o t ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec o n d u c t e dt ot h ev o r t e x c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s l i q u i dt w o - p h a s ew h i c hs h e df r o mas i n g l e c y l i n d e ro rf r o m r o t a t i n g 。s t a g g e r e d c y l i n d e r si nav e r t i c a lr e c t a n g u l a rp i p e ，w h i c hi ss u b s i d i z e db yt h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o 5 0 6 7 6 017 ) a n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e yp r o j e c t o f t h em i n i s t r yo f e d u c a t i o n ( n o 2 0 6 0 3 7 ) t h ec o n t e n ti s ： ( 1 ) a g a s - l i q u i dt w o 。p h a s ef l o wt e s tb e dw e r eb u i l t w h i c ht h et w o p h a s em e d i u m i st h en o r m a lt e m p e r a t u r ew a t e ra n dt h ec o m p r e s s e da i rr e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c ho nt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h i nb u b b l yf l o wa r o u n dac y l i n d e ro rc y l i n d e rb u n d l e s m a yb ec a r r i e do u ti nt h ev e r t i c a la s c e n tt e s tb e dw i t har e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n a m e a s u r i n gd e v i c ew a sd e s i g n e dw h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r ec o n t i n u o u s l yt h e c y l i n d r i c a l s u r f a c ep r e s s u r ei na m u l t i a n g l e ，a n dt h e nt h em u l t i p o i n tp r e s s u r e m e a s u r e m e n tb yas i n g l es e n s o ri nt h es a m ec o n d i t i o nw a sa c h i e v e d as e to f d y n a m i c d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mw a se s t a b l i s h e dt om e a s u r et h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e a n dv o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c ya r o u n dt h ec y l i n d e rs u r f a c e i no r d e rt o r e v e a l t h e f o r m a t i o na n de v o l u t i o np r o p e r t i e so ft h eg a s l i q u i d t w o - p h a s ev o r t e xa r o u n ds t a g g e r e d c y l i n d e rb u n d l e s ，as e to fh i g h - s p e e dd y n a m i ci m a g ea c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mw a s e s t a b l i s h e db yu s i n gt h er e s o l u t i o no f7 6 8x 512 p i x e l s ，s h o o t i n gs p e e do fl0 0 0 f p s ( 2 ) t h ed i s t r i b u t i o n so ft h ef l u c t u a t i o np r e s s u r ea n dt i m e a v e r a g e dp r e s s u r ew e t e m e a s u r e da r o u n dac y l i n d e r ，w i t ht h ed i a m e t e ro f3 5 m m ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so f d i f f e r e n ta i rv o i da n dr e y n o l d sn u m b e r ，w h e nt h eg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l u i d f l o w i n g c r o s si t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：b o t ht h e t i m e a v e r a g e dp r e s s u r ec o e f f i c i e n ta n d i i i a b a s t r a c t f l u c t u a t i n gp r e s s u r ec o e f f i c i e n to nt h ec y l i n d e rs u r f a c ea r ea f f e c t e dg r e a t l yb yt h ev o i d f r a c t i o n ，i n c r e a s i n gw i t ht h ev a l u eo f v o i df r a c t i o n ，t h em i n i m u mv a l u eo ft i m e - a v e r a g e d p r e s s u r ec o e f f i c i e n tr e d u c e sg r a d u a l l y ，w h i l et h ep e a kv a l u eo ff l u c t u a t i n gp r e s s u r e c o e f f i c i e n tr e d u c e sg r a d u a l l y ，t h eb a c kp r e s s u r ei n c r e a s e sg r a d u a l l y ，a n dt h ev o r t e x s h e d d i n gl o c a t i o nc o n s t a n t l ym o v e sb a c k w a r d ： i nt h ee x p e r i m e n t a lr a n g e ，r e y n o l d s n u m b e ra f f e c t s s l i g h t l y o n t h ef l u c t u a t i o n p r e s s u r e a n d t i m e a v e r a g e d p r e s s u r e m e a n w h i l e ， a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et h a tt h ev o r t e xs h e d d i n gs h o u l dc a u s e t h ep r e s s u r ed i f f e r e n to ne i t h e rs i d eo ft h ec y l i n d e r ，t h ed y n a m i cp r e s s u r ed i f f e r e n t i a l f l u c t u a t i o ns i g n a l sw e r em e a s u r e d t h ev o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yw a so b t a i n e db yu s i n g t h em e t h o do fp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i s ，a n di ti sa n a l y z e dh o wt h ep o w e rs p e c t r u mi s a f f e c t e db yt h ea i rv o i da n dr e y n o l d sn u m b e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i n c r e a s i n gw i t ht h e a i rv o i d ，t h ev o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e sa n dt h ep o w e rs p e c t r a le n e r g y d e c r e a s e s w h e nt h ea i rv o i di sh i g h e rt h a no 1 ，t h ep h e n o m e n o no fv o r t e xs h e d d i n g a l t e r n a t e l yd i s a p p e a r s ( 3 ) t h eh i g h s p e e dd y n a m i ci m a g ep r o c e s s i n gm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h e e v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t w o p h a s e v o r t e xa r o u n dt h e s t a g g e r e dc y l i n d e r b u n d l e s t h ee v o l u t i o np r o c e s so fv o r t e xg e n e r a t i o n ，e n t r a i n m e n ta n dp o l y m e r i z a t i o n a m o n gt h ec y l i n d e r sw a sr e c o n s t r u c t e db y t h ed y n a m i ci m a g e ，t h em e c h a n i s mo fv o r t e x e v o l u t i o nw a sa n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y ，a n dt h ep e r i o d i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fv o r t e x s h e d d i n gw e r ec o m p a r e db yt h ei m a g ec o r r e l a t i o na n dw e r ea n a l y z e db yt h e s t a t i s t i c a l m e t h o d t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a t ：s t r o u h a ln u m b e ri n c r e a s e sw i t ht h ep i t c hr a t i o i n c r e a s i n g ，w h i l ei td e c r e a s e sw i t ht h ea i rv o i di n c r e a s i n g ，w h e nt h ev a l u eo fa i rv o i di s h i g h e rt h a no 14 ，t h ep e r i o d i c a lv o r t e xs h e d d i n gp h e n o m e n o nv a n i s h e s ；i na d d i t i o n ， v o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e sw i t ht h er e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s i n g ( 4 ) a d o p t e d t h et w o f l u i dm o d e lf o rg a s - l i q u i dt w o p h a s e ，t h eu n s t e a d yf l o w i n g p r o c e s s e sw e r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e df o rt h et w o - p h a s ef l o w i n g c r o s st h es t a g g e r e d c y l i n d e rb u n d l e sw i t hd i f f e r e n tp i t c h d i a m e t e rr a t i o ，o b t a i n e ds p e c t r ao f t r a n s i e n tf l o w f i e l da n dv o r t e xf l o wa n dv o i df r a c t i o nd i s t r i b u t i o n ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ev o r t e x s e p a r a t i o nd o e sn o ta p p e a ra r o u n dt h eu p s t r e a mc y l i n d e r ，w h i l et h ed o w n s t r e a mc y l i n d e r i ss u r r o u n d e db yt h ef r e es h e a rl a y e r ，a n dt h eb u b b l ew a se n t r a i n e db yt h ev o r t e xs ot h a t t h ev o i df r a c t i o na n dt h ev o r t i c i t yh a v et h es a m ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i tw a s p r i m a r i l ya n a l y z e do nh o w t h ep i t c hr a t i o ，v o i df r a c t i o na n dr e y n o l d sn u m b e ra f f e c tt h e v o r t e xs h e d d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，f l u c t u a t i n gl i f ta n dt i m e - a v e r a g e dd r a ga r o u n dt h e i v 華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文 b u n d l e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：i nt h ec a s eo fd i f f e r e n tp i t c hr a t i o , t h ef l u c t u a t i n gl i f i c o e f f i c i e n ta r o u n dt h ed o w n s t r e a mc y l i n d e ri st h el a r g e s t ，w h i l et h em a x i m u mv a l u eo f t h et i m e a v e r a g e dd r a gc o e f f i c i e n ti si nt h em i d d l eo fb u n d l e ；i nt h ee v e n to fc r i t i c a l p i t c hr a t i o ，( s d ) 。，t h e r ei st h em i n i m u mc o e f f i c i e n tv a l u eo fb o t hf l u c t u a t i n gl i f ta n d t i m e a v e r a g e dd r a g ；w h e nt h ef l o wi so f as m a l lv o i df r a c t i o n ，口= 0 0 3 、0 1 2 ，t h ei i f t c o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i t hr e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s i n g ，w h i l ea tal a r g ev o i df r a c t i o n ， 口2 0 2 、0 3 ，t h el i f tc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t hr e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s i n g ；t h e t i m e a v e r a g e dd r a gc o e f f i c i e n ta r o u n de a c hr o wo fc y l i n d e r sd e c r e a s e sw i t hv o i df r a c t i o n i n c r e a s i n g k e yw o r d s ：g a s l i q u i dt w o p h a s ec r o s sf l o w ，s t a g g e r e dc y l i n d e ra r r a y s ， e x p e r i m e n t a ls t u d y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，v o r t e xs h e d d i n g ，l i f tf o r c e ，d r a g f o r c e 目錄 目錄 中文摘要i a b s t r a c t ill 主要符號表ix 第一章引言1 1 1 研究背景及意義1 1 2 旋渦脫落概述2 1 2 1 旋渦脫落的形成過程2 1 2 2 旋渦脫落的形式3 1 2 3 旋渦脫落誘發(fā)流體作用力4 1 3 氣液兩相繞流研究進(jìn)展5 1 3 1 氣液兩相繞流實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展5 1 3 2 氣液兩相流數(shù)值模擬研究進(jìn)展8 1 3 3 管束間氣液兩相流數(shù)值模擬研究進(jìn)展1 0 1 4 本課題研究內(nèi)容1o 第二章實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法一1 3 2 1 前言1 3 2 2 實(shí)驗(yàn)條件1 3 2 3 氣液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置1 4 2 3 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1 4 2 3 2 單圓柱繞流試驗(yàn)段1 6 2 3 3 錯(cuò)列管束繞流試驗(yàn)段1 6 2 4 測量方法1 7 2 4 1 圓柱周向壓力測量1 7 2 4 2 旋渦脫落頻率測量2 0 2 4 3 兩相流動態(tài)數(shù)據(jù)采集2 2 2 4 4 圖像采集系統(tǒng)2 2 2 5 本章小結(jié)2 3 第三章氣液兩相流參數(shù)測量及處理方法2 4 3 1 前言2 4 v i 華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文 3 1 氣液兩相流基本參數(shù)的測量2 4 3 2 氣液兩相流參數(shù)計(jì)算方法2 5 3 3 動態(tài)數(shù)據(jù)處理方法2 6 3 3 1 時(shí)均值、均方值及方差的計(jì)算2 6 3 3 2 時(shí)均壓力系數(shù)和脈動壓力系數(shù)的計(jì)算2 7 3 3 3 功率譜密度函數(shù)p s d 2 8 3 4 測量系統(tǒng)誤差分析一2 9 3 4 1 試驗(yàn)臺振動的分析2 9 3 4 2 儀器及測量方法誤差：2 9 3 5 本章小結(jié)31 第四章單圓柱氣液兩相繞流實(shí)驗(yàn)研究3 2 4 1 前言3 2 4 2 圓柱表面時(shí)均壓力分布特性3 2 4 2 1 雷諾數(shù)對時(shí)均壓力的影響3 2 4 2 2 含氣率對時(shí)均壓力的影響3 4 4 3 圓柱表面脈動壓力分布特性3 4 4 3 1 雷諾數(shù)對脈動壓力的影響3 4 4 3 2 含氣率對脈動壓力的影響3 6 4 3 3 脈動壓力的功率譜分析3 7 4 4 基于壓差波動的旋渦脫落功率譜特性4 2 4 4 1 含氣率對功率譜的影響4 3 4 4 2 雷諾數(shù)對功率譜的影響4 5 4 5 本章小結(jié)4 7 第五章錯(cuò)列管束繞流試驗(yàn)研究4 9 5 1 前言4 9 5 2 尾部流場旋渦脫落過程分析4 9 5 3 含氣率與節(jié)距比對旋渦脫落的影響5 l 5 3 1 旋渦脫落頻率分析51 5 3 2 兩相s t r o u h al 數(shù)分析5 3 5 4 雷諾數(shù)對旋渦脫落特性的影響5 6 5 4 1 雷諾數(shù)對旋渦脫落頻率的影響5 6 5 4 2 雷諾數(shù)對兩相s t r o u ai 數(shù)的影響一5 7 v i i 目錄 5 5 本章小結(jié)5 8 第六章氣液兩相流動模型和數(shù)值方法6 0 6 1 前言6 0 6 2 氣液兩相流動模型控制方程組6 0 6 3 氣液兩相流的相間作用力6 1 6 4 氣液兩相流湍流模型6 3 6 5 氣液兩相流數(shù)值計(jì)算方法6 6 6 5 1 控制方程組的通用表達(dá)式6 6 6 5 2 兩相流場的壓力修正方法6 7 6 5 3 非穩(wěn)態(tài)問題的s im p l e 算法6 8 6 5 4 壁面函數(shù)法的改進(jìn)6 8 6 5 5 計(jì)算區(qū)域和邊界條件6 9 6 5 6 非均分網(wǎng)格的迎風(fēng)格式7 0 6 5 7 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證7 1 6 6 本章小結(jié)7 1 第七章繞錯(cuò)列管束的數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析一7 3 7 1 前言一7 3 7 2 瞬時(shí)流場特征及分析7 3 7 3 節(jié)距比對旋渦脫落特性的影響7 6 7 3 1 節(jié)距比對渦量分布的影響7 6 7 3 2 節(jié)距比對s t r o u h ai 數(shù)的影響7 7 7 3 3 節(jié)距比對升力和阻力的影響7 8 7 4 雷諾數(shù)和含氣率對旋渦脫落的影響8 6 7 4 1 雷諾數(shù)對渦量分布的影響8 6 7 4 2 雷諾數(shù)與含氣率對升力和阻力的影響8 7 7 5 本章小結(jié)9 1 第八章總結(jié)與展望9 3 8 1 本文工作總結(jié)9 3 8 2 進(jìn)一步研究和展望9 4 參考文獻(xiàn)9 6 致謝10 3 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文10 4 v 1 1 1 華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文 口 8 s 矽 主要符號表 英文字母 管道流通面積，m 2 無量綱系數(shù)；經(jīng)驗(yàn)常數(shù) 流體作用力，n 渦街脫離頻率，h z ； 折算速度，m s 紊流脈動動能 渦街的同列渦中兩相鄰渦之間的距離，m 相間作用力，n 壓力，p a 雷諾數(shù) 源項(xiàng) 斯特羅哈( s t r o u h a l ) 數(shù) 采樣時(shí)間，s 時(shí)間，s 體積流量，t h 流體速度，m s 微元控制體體積，m 3 渦街發(fā)生體迎流面寬度，m 希臘字母 截面含氣率 體積含氣率 湍動能耗散率 任意參量 i x 么 c f 廠， 七 ， m p m s & r ， q “ y w 主要符號表 r y p f 擴(kuò)散系數(shù) 動力粘度，k g ( m s ) 運(yùn)動粘度，m 2 s 密度，k g m 3 應(yīng)力張量 上、下標(biāo) 臨界值 阻力 氣相 氣液兩相界面，坐標(biāo)方向代號( f = l ，2 ) 坐標(biāo)方向代號( ，= 1 ，2 ) k 相( k 相= g 或d 升力 液相 混合物 兩相流 初始條件下 脈動值 時(shí)均值 x 仃d g ， ，七三， m乃d， 一 對繞流物體長期的脈動力作用，也會引起結(jié)構(gòu)物體的疲勞損傷；而在來流方向上， 流動阻力的幅值也會受其影響而發(fā)生周期性的脈動，造成額外壓力損失。這些都必 將嚴(yán)重影響到受流體繞流的工業(yè)設(shè)備的可靠性和使用壽命l l 兒2 。 流體橫向流過物體的繞流現(xiàn)象在日常生活和工程實(shí)際中廣泛存在。如風(fēng)對各種 建筑物的繞流，河水流過橋墩，海洋石油工程中的開采平臺、鉆桿、水下輸油管道 受到海水的繞流，風(fēng)繞流高壓輸電線路等等。因流體繞流而導(dǎo)致工程設(shè)備損毀的事 故很多，如美國塔可馬海峽懸索橋因風(fēng)力所破壞【2 1 ；美國科羅拉多州大跨度天然氣 管道在一定風(fēng)速下出現(xiàn)振幅達(dá)1 5 1 8 m 的振動；電廠鍋爐管式空氣預(yù)熱器、省煤 器管振動破壞事故等均屬此例。其中，以換熱器管束振動事故最多1 3 。6 j ，尤其是動力、 原子能工業(yè)的飛速發(fā)展，對換熱器的綜合性能提出了更為苛刻的要求。這類問題的 研究已經(jīng)成為流體動力學(xué)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。 以上論及的主要是單相流體繞流現(xiàn)象，氣液兩相流體橫向繞流的流動工況也廣 泛存在于許多工業(yè)設(shè)備中，如各種管殼式熱交換器( 如冷凝器、蒸發(fā)器、反應(yīng)堆蒸 汽發(fā)生器等) 均工作在兩相流工況下【7 】【引，據(jù)美國從事?lián)Q熱器傳熱與流動服務(wù)h t f s ( h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o ws e r v i c e ) 的公司統(tǒng)計(jì)，5 0 以上的熱交換器工作在兩 相流條件下【l 】。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種工業(yè)設(shè)備的容量及尺寸越來越趨于 大型化，設(shè)備的流速增高，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。特別是2 0 世紀(jì)后半葉，原子能核電站 及航天工業(yè)的發(fā)展，動力工業(yè)及石化工業(yè)中大容量、高參數(shù)設(shè)備的引入，促使氣液 兩相流以及多相流領(lǐng)域研究的重要性更加突出。 近l o 年來，在存在相變的換熱設(shè)備中頻繁出現(xiàn)因氣液兩相流體橫向沖刷管束 而誘發(fā)管子振動的事例。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，某壓水堆核電站的一臺蒸汽發(fā)生器的蒸發(fā)管 與管板連接處，因管外氣液兩相流體的繞流引起管子振動而造成連接處泄漏的事故 【9 1 。此外，在氣液兩相流測量中，當(dāng)氣液兩相流體繞流插入式測量元件時(shí)也存在誘 第一章引言 發(fā)測量元件振動問題。這些工程實(shí)際問題促使人們對旋渦脫落誘發(fā)物體振動的研究 逐漸從單相流體流動向氣液兩相流動方向發(fā)展。掌握了氣液兩相繞流特性及其流動 規(guī)律能促使技術(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)更合理、運(yùn)行更安全，在節(jié)約能源消耗、提高設(shè)備可靠性 和有效利用水平方面起到重要的作用。 綜上所述，開展氣液兩相繞流旋渦脫落特性方面的研究，不僅可以拓寬氣液兩 相流體動力學(xué)的研究領(lǐng)域，促進(jìn)兩相渦街演化機(jī)理的研究進(jìn)展，還可以為工程設(shè)備 的優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造及可靠運(yùn)行提供依據(jù)。 1 2 旋渦脫落概述 1 2 1 旋渦脫落的形成過程 當(dāng)流體流過一非流線形物體時(shí)，在物體表面形成邊界層，形成較大的壓力梯度， 因剪切應(yīng)力的作用使邊界層脫離物體壁面并在尾部形成旋渦。 圓柱體是工業(yè)生產(chǎn)中接觸較多的物體形式，因其對稱性也會使問題簡單化，早 期對于流體繞流物體的研究，都是從流體繞流一個(gè)圓柱體來研究其振動、壓力等特 性的。當(dāng)一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)流近圓柱體的前緣時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的壓力就從自由流動的壓力 升高到滯止點(diǎn)的壓力，靠近前緣的流體在高壓作用下形成的邊界層在圓柱體的兩側(cè) 逐漸發(fā)展。不過，在高尺p 數(shù)的情況下，由壓力產(chǎn)生的力是不足以把邊界層推到包 圍住非流線形圓柱體的背面的【1 0 】。如圖1 1 所示： ，( d i i 一，i 飛了。 圖1 1 旋渦脫落時(shí)圓柱表面壓力分布 在圓柱體最寬界面的附近，附面層從圓柱體表面的兩側(cè)脫開，并形成兩個(gè)在流 動中間尾部拖曳的剪切層，這兩個(gè)自由的剪切層形成了尾流的邊界。因?yàn)樽杂杉羟?層的最內(nèi)層比與自由流相接處的最外層移動慢得多，于是這些自由剪切層就傾向于 對稱不連續(xù)的打旋的旋渦。在尾流中就形成一個(gè)規(guī)則的旋渦流型。 2 華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文 1 2 2 旋渦脫落的形式 對單相流體的繞流研究表明，光滑圓柱表面邊界層分離現(xiàn)象和尾跡流動特性與 雷諾數(shù)r p 有很大的關(guān)系。對于不可壓縮流體，隨著r p 數(shù)的增加圓柱體繞流的變化 如圖1 2 所示。 ( a ) ( c ) ( e ) r e 5無分離流動 5 1 5 、 r e 4 0 尾流中有一對穩(wěn)定的旋渦 4 0 r e 1 5 0層流渦街 1 5 0 r e 3 0 0 旋渦內(nèi)部向湍流過渡 3 1 0 5 r e 3 5 1 0 6邊界層變?yōu)橥牧?3 5 x1 0 6 r p湍流渦街重新建立 圖1