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《上海交通大学》 2009年
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垂直管道低温汽—液两相流动弹状流流型及动态特性的研究

张华  
【摘要】: 随着现代空间技术火箭工业的迅速发展,低温推进剂在输送中出现的间歇泉现象成为低温多相流科学领域的研究热点问题之一。低温间歇泉现象一般发生在连接推进剂贮箱与火箭引擎的输送管路中,主要是由于管路漏热导致气泡产生并不断增多、聚合,形成阻塞管路的弹状流气泡在喷发后形成的非稳定性现象。汽泡喷发后引起的液体回流以及管路内气体冷凝压缩作用形成的压力波动将对管路造成结构性损坏,因此对低温输送管路内部汽泡的产生、聚合和上升以及弹状汽泡的形成和发展等现象的研究具有重要的学科意义和实用价值。本文在前人研究的基础上,通过实验和理论分析,针对低温液体具有的汽相与液相间密度差别小、蒸发潜热小等独特的热力学特性、沸腾传热特性和动力学特性,克服低温汽液两相流实验测量难度大的困难,对低温液体垂直输送管路中所发生的汽液两相流现象进行深入的研究。对汽泡的产生、聚合现象,弹状汽泡的生成机理,弹状汽泡和液弹的运动速度和长度分布及管路内流动动态特性等涉及间歇泉产生的几个关键问题进行了实验研究,具体内容为: (1)搭建了低温输送管路流动特性的可视化研究模拟实验装置和管内低温汽液两相流动动态特性研究的模拟实验装置。通过图像采集系统获得的图像资料对管路内弹状汽泡的初始形成位置,弹状汽泡和液弹沿管路轴向的运动速度和长度分布进行了研究,并拟合了低温输送管路中不同位置处弹状汽泡的长度分布公式。并且通过对管壁的温度、管内流动的差压和压力的动态信号在频域和时域上的分析,探讨了垂直向上管内低温汽液两相流的泡状流型、弹状流型的特征、流型过渡规律,及管道几何因素对低温汽液两相流流型的影响以及其流动动态特性。 (2)对实验结果在以下几方面进行了分析研究和探讨:1)弹状汽泡的初始形成位置随倾斜角度(管路与竖直方向的夹角)变化。在相同热流密度下,随着管道倾斜角度的逐渐增大,弹状汽泡平均初始形成位置先增加后减小。本实验中,当倾斜角度为30°时,弹状汽泡的平均初始形成位置最高。2)随着倾斜角度的增加,弹状汽泡和液弹的平均长度均先增大后减小,在管路的倾斜角度为30o时弹状汽泡和液弹的平均长度达到最大值;随着沿管路轴向位置的增加,弹状汽泡和液弹的平均长度均逐渐增大;在相同倾斜角度下,相同x/D位置处,小管径管路中弹状汽泡的平均长度大于大管径管路中弹状汽泡的平均长度而液弹的情况正好相反。3)弹状汽泡和液弹的上升速度随着管路倾斜角度的增加,其上升速度先增大后减小。弹状汽泡的上升速度在θ=30o处达到最大值。液弹上升速度的最大值一般出现在倾角为20 o或30 o处。 (3)实验研究了系统压力对垂直向上管内低温汽液两相流的压力波动的影响。定性结果表明:垂直向上管内低温汽液两相流的压力波动与常温汽液两相流的压力波动类似,受倾斜角度、热流密度和系统压力等因素变化的影响。其流型变化也基本相同。5)当系统压力为0kPa时,在所有实验条件下,即不同管径、不同倾斜角度、不同热流密度条件下,管路不同位置处的压力功率谱密度图的变化趋势几乎相同。随着测压点位置的升高,其功率谱密度较大的频段逐渐右移,曲线从单峰向双峰变化。而当存在系统压力时,管路内压力波动受到较强的抑制,并且随着系统压力的增加,其对压力波动的抑制作用逐渐增强,从而可知对低温汽液两相流系统,抑制压力波动的有效措施为在系统允许的前提下,可采用增大系统压力的方法,进而可以防止低温液体输送管内的间歇泉现象的发生。 (4)对低温输送管内汽泡的碰撞、聚合过程进行了理论分析,建立了描述这一过程的MUSIG模型,并采用新建模型对低温推进剂管路内的弹状汽泡形成过程进行了数值模拟。与实验数据对比表明,本模型能够较为准确地预测汽泡起始聚合高度、弹状汽泡形成高度以及汽泡尺寸分布等重要参数。主要获得如下结论: 1)本文建立的MUSIG(MUlti-SIze-Group)模型能够有效预测推进剂管内汽泡由弥散汽泡聚合为弹状汽泡的过程;2)增加管路的倾斜角度可以在更高截面平均空泡份额的条件下降低汽泡的聚合速率并延迟弹状汽泡的形成;3)本模型可以预测输送管内的汽泡尺寸组成情况,有助于分析弹状汽泡及间歇泉形成的几率,以便于及时采取措施抑制间歇泉的发生。 本文主要围绕低温输送管路中弹状汽泡的生成机理及管内两相流动动态特性进行实验研究和理论分析,得出了一些有意义的结论,为近一步深入研究垂直向上管内低温汽液两相流弹状汽泡的生成和发展规律、低温输送管道内的流动特性和揭示间歇泉不稳定现象的机理提供了理论支持和参考。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TK124

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 胡学羽;刘亦鹏;王平阳;王经;;倾斜管中低温气液两相流弹状气泡生成位置的实验研究[J];上海交通大学学报;2012年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 张翠婷;涡流工具在天然气井井底排液中的应用[D];东北石油大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前5条
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2 符一平;章轶明;;大流量低温液氧泵的研制[A];第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会论文集[C];2007年
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4 张华;李满峰;巨永林;王经;;倾斜管内低温两相弹状流特性实验研究——弹状汽泡运动速度[A];第九届全国低温工程大会论文集[C];2009年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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2 王升飞;密度锁机理研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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10 罗世彬;高超声速飞行器机体/发动机一体化及总体多学科设计优化方法研究[D];国防科学技术大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王鸿雁;气液两相弹状流在摇摆条件下的运动特性研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 夏国栋,刘亮,马重芳,苑中显,周芳德,胡明胜4西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室;气液两相弹状流动的实验研究──液弹长度及Taylor气泡长度份额[J];北京工业大学学报;2000年02期
2 于俊波,艾尚军,尉可珍,杜善彬,杨树枫;气井积液分析[J];大庆石油学院学报;2000年02期
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中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 周帼彦;螺旋片导流式分离器气液两相流的数值模拟与试验研究[D];南京工业大学;2003年
2 庞东晓;新型高效油气分离器性能研究及产品设计[D];西南石油学院;2004年
3 周志雄;高真空多层绝热中接触导热数值计算和实验研究[D];上海交通大学;2007年
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6 苗志国;深井泵气锚分气效率计算方法研究[D];中国石油大学;2008年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 刘亦鹏;赵先林;王平阳;蔺帅南;杜朝辉;;倾斜管路内低温Taylor气泡尾迹区流场的实验研究[J];过程工程学报;2012年06期
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 刘亦鹏;低温气液两相弹状流流动特性和流场结构的实验及数值研究[D];上海交通大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 张亮,林文胜,鲁雪生,顾安忠;低温液体输送系统间歇泉现象机理分析与消除措施[J];低温与超导;2002年02期
2 夏国栋,周芳德,胡明胜;垂直上升弹状流中液弹长度分布[J];化工学报;1997年06期
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【相似文献】
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1 李民,刘建新,赵致和,杜慧勇,何勇灵;柴油机供油系统中汽泡含量不稳定性的研究[J];内燃机工程;2001年04期
2 杜慧勇,傅茂林,刘建新,赵致和,李民,宗永平,邓本都;柴油机供油系统汽泡类型的研究[J];内燃机学报;1999年04期
3 胡兴,马宪国;蒸汽水下喷注噪声的产生机理和辐射规律的研究[J];上海理工大学学报;2000年01期
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6 李锐;热水供热系统中有汽泡时的水力计算[J];北京建筑工程学院学报;1996年03期
7 何勇灵,刘建新,赵致和,丁川,张艳辉,杜慧勇,李民,宗永平;一种研究柴油机喷油系统中汽泡的新方法[J];内燃机学报;2000年03期
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3 王家辉;;外取热器取热管裂纹成因分析[A];压力管道技术研究进展精选集——第四届全国管道技术学术会议[C];2010年
4 商福民;刘登瀛;刘建红;;振荡流热管在建筑节能领域中的应用探讨[A];推进供热体制改革与节能改造新技术新设备应用交流会论文集[C];2010年
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1 叶楠楠 编译;日常生活中应该饮用多少水?[N];科技日报;2009年
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6 本报记者 张聪 覃泽文;人工“树叶”为纳米发电提供新思路[N];中国能源报;2009年
7 王玉明;高压蒸汽发生器安全隐患可消除[N];中国化工报;2010年
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1 林梓荣;自激式振荡流热管热输送性能研究[D];华南理工大学;2012年
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4 杨未;传统式与渐缩式气泡泵内流型数值模拟研究[D];大连海事大学;2013年
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7 唐杨;微槽道中磁流体的CHF特性研究[D];华南理工大学;2011年
8 翁夏;微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算[D];南京理工大学;2012年
9 王宏智;烧结型表面多孔管沸腾传热性能试验研究[D];华东理工大学;2010年
10 付浩生;交互式海洋动漫平台场景特效制作[D];中国海洋大学;2010年
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