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动载作用下管内气(汽)—水两相流动及其沸腾换热研究

姚秋萍  
【摘要】:本文在国内外现有的研究成果的基础上,通过对旋转动载作用下圆管内气(汽)水两相流动和传热特性的实验研究、气液两相流型识别、实用计算模型及计算方法研究,取得了具有重要学术意义和应用价值的成果,为机载蒸发循环系统研制以及气液两相介质的流动和传热特性的深入探测积累了基础数据。 搭建了旋转平台实现动载模拟,并安装调试动载气(汽)水两相流循环管路实验系统,解决旋转状态下气(汽)水两相流动的加热、参数测量和数据采集、处理等实验问题;利用可视化技术实现了流态的观察和实时记录。通过改变管道布置方式、试验段与转台平面的倾斜角度、旋转速度、入口温度、流量等参数,获得了不同方位和倾角试验段内气(汽)水两相流在旋转状态下流动和传热的实验数据。对各原始数据进行处理和分析,得到过载对管内气(汽)水两相流的空隙率、流量、流速、温度、压力和压差的影响规律以及动载作用下气(汽)水两相流的部分流动和沸腾传热特性。过载对管内两相流动(尤其是流阻)和传热方式产生强烈影响。过载方向与流动方向相反时,过载越大,水、气流量越小,进出口压差越大,流阻越大,阻碍流体向前流动的趋势越明显。管外换热系数随过载的增大而增加,过载促进管外散热,削弱管内流体的得热能力,并降低管壁面温度。可视化技术显示过载作用会形成冲击流、冲击交混流等新的流型。 通过对实验测试段进行实物建模,建立了动载作用下气液两相流的均相流模型和分相流模型,并对控制方程进行了无因次分析。对两种管径的水平管进行网格划分,用有限体积法离散控制方程组,设定初始条件和边界条件后用SIMPLE算法对方程组进行求解。将计算结果与实验数据进行了比较,发现两者有较好的相符性。计算结果再次表明出口压力、进出口压差和管外换热系数均随过载增大而增大,且基本都是过载的单调增函数;有效加热量却随过载增大而减小。 将小波去噪理论用于动载作用下水平管内的沸腾汽水两相流压差波动信号的去噪处理中。利用小波包变换对去噪后的压差波动信号进行分解,以小波包分解后的各频带信号的总能量作为特征值构造特征向量,并归一化特性向量。采用BP神经网络和RBF神经网络作为气液两相流流型的模式分类器,将提取的不同特征向量矩阵作为神经网络的输入特征参数输入神经网络中来识别流型。实验分析结果表明,该方法可以有效地识别流型,从而为流型识别提供了一种新的方法。


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