傾斜圓管內液氮-氮蒸汽液泛流動特性及臨界速度預測方法.pdf

1、隨著空分裝備朝超大型化方向發(fā)展、液化天然氣應用快速增長以及低溫推進劑在液體火箭中普及，低溫氣液兩相流動研究越來越成為事關國家能源和航天工業(yè)技術升級的重要課題。而液泛現象廣泛發(fā)生于包括低溫流體的氣液兩相流設備中，現有的液泛研究成果大多適用于常溫流體，低溫流體與常溫流體相比表面張力、粘性等物性差別較大，導致低溫流體液泛發(fā)生機理存在本質不同，對低溫流體液泛速度的預測成為當前兩相流研究的熱點之一，其發(fā)生機理和臨界速度準確預測方法亟待研究。為探究

2、低溫流體液泛機理，并建立液泛臨界速度預測模型，本文主要開展了以下四個方面的工作：
　　1、基于有粘Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定理論，建立了傾斜圓管液泛速度預測理論模型，揭示了流體物性以及幾何結構對液泛臨界速度的影響機理。
　　Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定（KHI）理論已廣泛用于界面不穩(wěn)定的預測。研究表明，粘性小時，在計算液泛速度時反而需要考慮粘性的影響，即需要基于有粘KHI（VKHI）理論。考慮到液氮粘度

3、遠小于水，本文基于 VKHI理論計算液泛臨界速度，假設具有最大增長因子的界面波為最危險波并觸發(fā)液泛，建立起兩相流不穩(wěn)定到液泛的內在聯系，從而構建起傾斜管內適用于低溫流體液泛理論計算模型。理論預測與常溫和低溫流體液泛實驗結果均吻合較好。基于該理論模型，研究了密度、表面張力和粘性等物性和幾何結構參數對液泛臨界速度的影響，發(fā)現減小氣體密度和液體粘度，增大表面張力、傾斜角和管徑，均能增大液泛臨界氣速。
　　2、以液氮（LN2）-飽和氮蒸汽

4、（VN2）和水-空氣為工質開展了液泛實驗研究，驗證了理論模型的準確性，并探究了液泛過程流態(tài)轉變特性。
　　低溫流體與常溫流體的物性差異導致液泛機理不同，現有的液泛實驗幾乎均以常溫流體為工質。本文搭建了絕熱傾斜圓管液泛可視化實驗系統(tǒng)，以LN2-VN2和水-空氣開展液泛對比實驗，測量得到了不同傾角的液泛臨界速度，觀察了液泛過程的流態(tài)轉變特性。實驗結果表明：LN2-VN2液泛臨界氣速要遠小于水-空氣液泛臨界氣速，相比水-空氣液泛發(fā)生時呈

5、現出完整的界面波反轉以及段塞流，低溫流體液泛發(fā)生時，界面波易被吹散形成液滴流。結果證明了理論模型能夠較好地預測低溫工質液泛。本文提出了一套同時適用于低溫流體和常溫流體的液泛速度經驗關聯式，誤差小于20％。
　　3、建立了傾斜管中液泛過程 CFD數值模型，探究了表面張力及粘性等對液泛流態(tài)影響的內在規(guī)律。
　　液泛過程氣液相界面結構的跨尺度變化以及劇烈的相間動量交換是數值計算的難點。本文采用多尺度相界面識別技術和代數界面密度（A

6、IAD）界面曳力計算模型，分析了液泛流態(tài)轉變過程，探究了表面張力和粘性對流態(tài)的影響。數值計算結果表明：表面張力能夠起到穩(wěn)定液膜的作用，表面張力較小時，液膜更易被撕裂形成小液滴；而液體粘度則表現為液膜的內聚力，液體粘度越大，界面波越易形成段塞流。
　　4、研究了液泛過程界面波動特性，揭示了液泛發(fā)生前后界面波動對液泛的影響。
　　界面波是液泛發(fā)生的起源和液泛現象形成的先決條件，而液泛現象是個高度不穩(wěn)定和非穩(wěn)態(tài)過程，了解界面波動在

7、液泛發(fā)生前后的變化規(guī)律有助于更深入理解液泛發(fā)生本質，現有研究較少對液泛過程界面波波動特性展開深入研究。本文根據CFD數值計算和液泛實驗結果，從界面波角度，對壁面切應力和壓差波動信號展開了頻譜分析和小波分析，對比研究LN2-VN2和水-空氣兩組工質在液泛發(fā)生時的波動頻率和強度。結果表明：液泛發(fā)生過程液膜存在急劇振蕩行為；液泛發(fā)生時，相界面波動主頻在2.5 Hz附近；對于水-空氣，液泛發(fā)生前的波動頻率要大于液泛發(fā)生時的頻率，對于LN2-VN