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准层流粘液泡状流的理论与实验研究

许兆峰  
【摘要】:泡状流是自然界和工业生产中的常见现象,对其进行深入研究具有重要的 科研价值和广阔的应用前景。但现阶段对于中等颗粒雷诺数的准层流粘液泡状 流却缺乏研究,本文则以冷态、不可压、无质量交换、低空泡率、中等颗粒雷 诺数的准层流粘液泡状流为研究对象,对其进行了理论与实验研究。 首先,对真实气泡在剪切流场中的升力进行了实验研究。在球形颗粒升力 系数关系式比较成熟的条件下,利用垂直圆管内 Poiseuille 流动中气泡(颗粒) 所受升力与壁面力平衡的原理,运用粒子成像测速(PIV)技术对相同实验条件 下、垂直圆管内 Poiseuille 流动中等当量直径气泡和轻颗粒的径向位置进行研究, 得到了等当量直径气泡和颗粒所受升力之比的经验关系式,并以此最终获得了 真实气泡在剪切流场中的升力表达式。 其次,建立了准层流粘液泡状流双流体模型。通过对流体的局部、瞬时守 恒方程进行系综平均,得到了双流体模型的基本方程。此基本方程必须补充必 要的本构关系式才能够封闭,得以求解。本文针对现有准层流本构关系式大多 是基于势流导出的缺陷,在考虑了粘性边界层对球形气泡周围压力场和线性剪 切速度场影响的基础上,利用单元系综平均方法得到了适用于中等颗粒雷诺数 的液相雷诺应力 τl 表达式和液相界面平均压力与液相平均压力之差 Re pl i ? pl x的表达式。此外,还利用前面所得气泡升力及其它气泡受力表达 式构建了界面动量交换张量 Mki,并补充了其它的封闭关系式。这些封闭关系式 与双流体模型的基本方程就构成了一套完整的准层流泡状流双流体模型。 再次,针对垂直圆管内充分发展的准层流粘液泡状流,提出了一种介于数 值计算与解析解之间的中间解——近似解析解。该近似解析解虽然不是模型真 正的解析解,仍然需要通过数值计算来求解,但其却能够比较直观的揭示影响 空泡率径向分布和液相速度径向分布的原因。 最后,利用该双流体模型的近似解析解对已知的准层流粘液泡状流实验进 行预测,预测结果与实验数据的吻合,说明该双流体模型在横界面平均空泡率 αg 0.16、颗粒雷诺数 10Re220 的条件下有较强的适用性和较高的预测精度。


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