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气液两相圆柱绕流旋涡脱落特性的数值模拟

王光培  
【摘要】: 工业领域内存在着大量的气液两相绕流柱体的现象,一定工况下形成交替脱落的旋涡,诱发柱体受到脉动升力的作用,由此产生的疲劳损伤大大缩短了工业设备的使用寿命,因此,对两相绕流的数值模拟,能给工业设备的设计和安全运行提供充分的科学依据。 本文对垂直上升管道内的气液两相流绕流错列圆柱管束的旋涡脱落特性进行了数值模拟。采用体积平均方法建立了气液两相流动控制方程组,并推导了气液两相流动阻力,升力及附加质量力的相间作用力的表达式。综合考虑了由剪切引起的紊流和由气泡引起的紊流关系式,采用基于RNG k ?ε紊流模型对气液两相绕流流动进行模拟,并采用壁面函数法将这种高紊流Re数下的k ?ε模型推广到了近壁区。通过计算发现:对气-液两相绕流错列圆柱管束流动,节距比、含气率以及雷诺数对旋涡脱落特性均有较大的影响。节距比增大,斯特罗哈数、升力系数、功率谱峰值、涡街频率以及时均阻力系数均随之增大,且各管排的特性参数值不同。含气率、雷诺数增加,升力系数随之减小;含气率增加到某一数值时,含气率继续增加,升力系数随之增大,且随雷诺数增加而增大;雷诺数增加,涡街频率增大,功率谱峰值降低,且功率谱峰值随含气率增加而降低。含气率增加,总的时均阻力系数呈小幅度下降的变化趋势。 为了验证此次数值模拟的正确性,将模拟结果与实验结果进行对比。实验结果是用高速摄影技术拍摄气液两相绕流圆柱的流场图像,再通过尾流流场图像的对比,计算旋涡脱落周期得到的。模拟结果和实验结果基本一致,验证了数值模拟的正确性。


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