收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

两相流动及沸腾过程气泡动态特性的多尺度模拟研究

何航行  
【摘要】:在自然界和各种工业设备中,气液两相流动以及沸腾现象广泛存在。研究气液两相流动及沸腾现象,在石油工程、化学工程、核能、电力、冶金、环境保护、航空航天等领域均具有重要意义。由于两相之间存在的相互作用以及相界面的拓扑变化,导致气液两相流的机理比单相流动更为复杂。同时,气液流动过程中常常伴随着两相间的传热传质和相变现象,使得气液两相流动及沸腾过程的研究面临很大的挑战。通过分析气泡的动态行为特征来研究沸腾传热一直是研究沸腾现象的重要方法,了解气泡成核、生长以及脱离壁面等过程是认识和理解沸腾换热过程的关键。迄今为止,国内外众多研究者结合沸腾传热特性对气泡的演化行为和动态特性进行了大量的实验研究和数值模拟,但是由于气液两相流动和沸腾过程的极端复杂性,目前人们还没有从机理上完全揭示两相流动及沸腾现象的本质特征。传统的宏观数值模拟方法在模拟气液两相流动和沸腾过程时难以追踪大量细小分散的界面,而且简化假设条件较多,虽然可以描述少数大的界面运动,但是往往无法刻画出一些两相流动的细节。同时,宏观数值方法能够模拟的范围有限,当计算的网格尺寸小到一定程度时,数值计算的稳定性将面临极大的挑战。随着研究的深入,仅着眼于宏观尺度的研究方法已经无法完全满足研究和应用的需求。而基于微观尺度的模拟方法,虽然能够直接建立微观尺度的模型以反映复杂流动传热过程的内在机理,但其模拟过程涉及的分子数目十分庞大,往往超出当前的计算能力,导致无法利用微观模型实现对实际的复杂两相流动问题的研究。作为介观尺度模拟方法之一的格子Boltzmann方法,基于其本身的微观粒子的特性,通过描述不同相态粒子之间的相互作用,能够清晰地捕捉相界面,已经发展成为一种模拟多相流、相变问题的有效数值方法。与此同时,基于气液两相流动及沸腾问题本身的多尺度特性以及单一尺度的模拟研究所面临的问题,对于这类复杂问题的多尺度模拟越来越受到研究者的关注和重视。近年来,一种新型的免方程多尺度模拟框架被提出,其关键思路是绕过从微观、介观尺度模型中获取宏观模型方程这一传统过程,为复杂过程和系统的多尺度模拟提供了一种全新的思路。在这样的背景条件下,本文基于格子Boltzmann及免方程多尺度模拟方法,对气液两相的分离过程及气泡动态特性进行了深入研究。本文的主要研究内容包括以下三个方面:1)由于多相格子Boltzmann伪势模型直接通过流体粒子间的相互作用力来反映不同相态流体之间的相互作用,其作用力格式的选取方式将对模型的结果产生直接的影响。本文针对多相伪势模型中常用的作用力格式进行分析,基于Gong和Cheng对伪势模型中作用力项的改进思路,对伪势模型中的作用力格式进行了改进,进一步提升了伪势模型的稳定性和适用范围。2)根据格子Boltzmann方法和免方程多尺度模拟方法的特点,本文提出以介观LBM模型作为微细尺度模型,利用免方程多尺度方法对气液两相的分离过程进行了模拟研究。通过模拟几种不同状态方程控制下的气液两相分离过程,表明该多尺度模拟方法能够成功地实现对气液两相分离过程的模拟。并且该方法不仅能够有效地提升模型的计算效率,同时还能确保模型的准确性,充分体现了其在复杂过程或系统的模拟研究中所具有的优势。3)基于单组分伪势模型的沸腾相变模型,其相变由伪势模型中引入的气体状态方程所决定。气体状态方程虽然能够较好地反映出气液两相密度等物性参数,但是由于状态方程计算所得的压力在两相界面区域与实际压力有偏差,导致不同区域的相变量不一致,流体区域出现过冷的现象,从而使得沸腾相变过程的模拟精确度受到一定的影响。针对这一问题,本文对温度方程中与相变相关的源项进行了改进,直接引入相变潜热的计算,确保单位流体在相变过程中所吸收的热量保持恒定,避免了由状态方程计算相变潜热所引起的误差和模型的不稳定性。基于改进的相变换热模型,本文对池沸腾和流动沸腾过程中气泡的动态特性进行了模拟研究。此外,本文还通过耦合LBM和有限容积法,在靠近加热壁面的区域选取LBM模型,而在远离壁面的区域选取有限容积法,对气泡的生长、脱离过程进行了多尺度耦合模拟。本文的研究为多相流动及沸腾过程的多尺度模拟进行了有益的探索,通过建立更具实用价值的模型,更加深入地揭示了多相流动及沸腾过程的动态特性及其影响机制。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 汪军,章燕谋;T形流道中气液两相混合物相分离现象的分析[J];动力工程;1988年03期
2 黄玉华,陈毓琛,沈自求;用化学法测定单气泡运动时的气液两相接触面积[J];大连工学院学报;1983年02期
3 陈家琅,陈惟岐;非圆形通道中气液两相的铅直向上流动[J];国外油田工程;1994年04期
4 谭欣星,席光;气液两相泡状流动中的压力分析[J];动力工程;2003年03期
5 徐秀生;王玉霞;左传玺;晁宏洲;;离心泵输送气液两相介质的研究[J];油气储运;2007年10期
6 王世坤;李安;盖志亮;;石油气液两相垂直管流流型仿真[J];现代制造技术与装备;2008年02期
7 张威;战仁军;汪勇;;脉冲气液两相射流雾化的数值模拟和试验研究[J];长春工业大学学报(自然科学版);2009年05期
8 李雪琴;王君;赵鹏;于桂昌;;多相混输泵内气液两相分布的随机分形模型[J];广西大学学报(自然科学版);2010年05期
9 陈意心;王亦飞;梁铁;姚永春;刘霞;于遵宏;;新型洗涤冷却室内气液两相的分布特性[J];化工学报;2008年02期
10 陈智强;庄弘炜;庄维伟;;爆炸物销毁器气液两相射流的数值模拟分析[J];四川兵工学报;2010年12期
11 黄思,吴玉林;叶片式泵内气液两相泡状流的三维数值计算[J];水利学报;2001年06期
12 马其良,龙悦,毕政益,曹丽丽;气液两相内混式油喷嘴混合室内压力特性的实验研究[J];上海理工大学学报;2004年01期
13 祁生礼;;自调阀在气液两相输送工艺中的应用[J];通用机械;2010年03期
14 杨军虎;许亭;刘浩然;;气液两相多级液力透平的全流道数值模拟[J];西华大学学报(自然科学版);2014年05期
15 李永光,章德龙,张莉,林宗虎;T形柱体气液两相涡街现象的研究[J];上海电力学院学报;1997年04期
16 沈春银,陈剑佩,张家庭,戴干策;气液两相机械搅拌釜中水翼-涡轮组合桨的功率消耗[J];华东理工大学学报;2002年06期
17 刘进荣,李强,阿拉德尔图,史雪涛;气液两相并流体系气含率的表达式及其应用[J];内蒙古石油化工;1998年03期
18 张军,金友煌,陈听宽;垂直同心环形管内上升气液团状流向环状流的转换[J];化工学报;2002年04期
19 宋立群;李玉星;;复杂地形条件下气液两相混输工艺水力模型建立[J];化工学报;2011年12期
20 汪庐山,贾庆升,孙宝江,王瑞和;竖直气液两相管流中空隙率波及其不稳定性分析[J];石油大学学报(自然科学版);2001年02期
中国重要会议论文全文数据库 前8条
1 姜松;文贻勇;刘克富;;脉冲放电等离子体在气液两相中氧化能力的研究[A];第十六届全国等离子体科学技术会议暨第一届全国等离子体医学研讨会会议摘要集[C];2013年
2 孙冰;高志鹰;内爱;朱小梅;严志宇;宋艳静;;脉冲放电气液混合反应器气液两相活性离子的特性[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
3 李建敏;王树立;饶永超;赵书华;张永飞;王蕾;;表面活性剂对气液两相螺旋流流动特性的影响[A];第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研讨会论文集——E工业流体力学[C];2014年
4 苏芳;顾明广;;CO2气液两相腐蚀机理研究现状[A];2011全国压力容器压力管道技术发展与使用暨新技术新产品交流会论文集[C];2011年
5 王菊英;姜正良;龚延凤;何嘉鹏;;制冷毛细管中气液两相流体动力学分析和计算[A];全国暖通空调制冷1996年学术年会资料集[C];1996年
6 李永光;郭盈;张丽华;吕欣欣;蒋燕;;利用小波分析和BP神经网络进行气液两相双参数测量的研究[A];第二十届全国水动力学研讨会文集[C];2007年
7 崔小逖;李鑫钢;张志恒;隋红;;倾斜通道内气液逆流直接接触冷凝传热的二维CFD模拟[A];中国化工学会2009年年会暨第三届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛会议论文集(下)[C];2009年
8 尹邦堂;李相方;孙宝江;;深水井筒环空气液两相稳态传热规律[A];第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研讨会论文集——E工业流体力学[C];2014年
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 何航行;两相流动及沸腾过程气泡动态特性的多尺度模拟研究[D];重庆大学;2016年
2 付英杰;水下气液两相喷射推进技术数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 刘杨;T形管内气液两相泡状与环状流的相分离数值模拟[D];大连理工大学;2011年
4 王天祥;气液旋转涡轮分离器的研究[D];中国石油大学;2008年
5 王铁峰;气液(浆)反应器流体力学行为的实验研究和数值模拟[D];清华大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王丽媛;搅拌槽内中粘体系气液分散的数值模拟[D];北京化工大学;2015年
2 乔时和;高压气液两相射流瞬态动力破煤特性及微观致裂机制研究[D];中国矿业大学;2016年
3 刘鹏宇;气液两相动态平衡过程研究[D];北京化工大学;2016年
4 郑权;气液两相反应器内流场特性的CFD模拟[D];大连理工大学;2016年
5 孙亚茹;涡排井筒内气液两相螺旋涡流特性的数值模拟研究[D];西安石油大学;2016年
6 张鹏;高压脉冲气液两相放电协同催化剂降解废水中苯酚的研究[D];江西理工大学;2016年
7 黄乐平;毛细管内气液两相流型的数值模拟研究[D];南昌大学;2016年
8 马昕霞;气液两相绕流的数值模拟及实验研究[D];华北电力大学;2002年
9 付阳;气液两相混合射流反推力测试试验台的研发[D];中国海洋大学;2014年
10 姜广辉;裂隙气液两相渗流特性试验研究[D];中国矿业大学;2014年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978