t型管中气液两相流的动力学数值分析

1、本科毕业设计（）题目：T 型管中气液两相流的动力学数值分析 学院：机械与自动控制学院专业班级：09 过控（1）班姓名：学号：B09360123指导教师：、偶国富系：院长：胡旭东二 O 一三 年 五 月浙江理工大学机械与自动控制学院诚信我谨在此保证：本人所写的，凡他人的成果均已在参考文献或注释中列出主体均由本人独立完成，没有、剽窃他人已经或未的成果行为。如出现以上知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。人（签名）：年月日摘要气液两相流的现象广泛的存在于化工、核能、动力、制冷、石油、冶金等一系列的工业设备中，对其分析和仍停留在经验和半经验水平上。在很多化学反应设备或热交换器等设备中也都广泛的存在气

2、液两相流的问题，所以说，为了运行更加经济，安全性更高，设计设备更加合理，须对气液两相流的机理及其影响等提出更高的要求。随着计算机技术和数值分析方法的迅速发展，人们普遍认为，为了更清晰的了解气液两相流体的机理，试验需与数值模拟同步进行，互相补充。本文针对 T 型管中气液两相流立了 T 型管模型，其次在流体力学的数值模拟，首先运用 GAMBIT建FLUENT 求解器中，选用 VOF 模型，通过 K-E 控制方程进行数值计算，模拟出液相与气相在 T 型管中的混合效果，通过实验的对比来验证该模型的合理性。在模拟试验过程中，通过改变空气流速与水对主管道压差得出结论：一种是相同压差下，不同空气流速对气液两

3、相流混合效果的影响。另一种是相同空气流速，不同压差下对气液两相流混合效果的影响。最后再对照前人经过多次实验得到的结果，变相分析自己所得的数据。模拟表明：T 型管中的液态水通入空气主流管道中，达到较好混合效果的条件比较苛刻。：两相流；T 型管；混合；数值模拟；VOF 模型AbstractWide range of gas-liquid two-phase flow phenomenon exists in the chemical,nuclear,er, cooling, petroleum, metallurgy and other industrial equipment, theirysi

4、s and research is still at the empirical and semi-empirical level. In many chemical reactions equipment or heat exchangers and other equipment there are also a wide range of two-phase flow problems, so to say, in order to operate more economically, more secure and more reasonable design equipment, w

5、e have togas-liquid two-phase stream flow mechanism and its influencing factors put forwardhigher requirements. With the radevelopment of computer technology andnumerical ysis method, it is generally agreed t a clearer understanding of the mechanism of gas-liquid two-phase fluid flow, experimental r

6、esearch must be numerical simulation carried out simultaneously and complement each other.T-tube gas-liquid two-phase flow numerical simulation using GAMBIT softwareT-tube mVOF m, followed by fluid dynamics software FLUENT solver, the choice of the, through the KE control of equation numerical calcu

7、lation and simulationthe liquid phase and gas phase mixing effecthe T-tube, through comparison of theexperimental validation of the mis reasonable.In the pros of simulation test, by changing the air flow rate and waterconcludedt the main channel differential prere: one is the same differentialprere,

8、 air flow rate of gas-liquid two-phase flow mixing effect. another is the sameair flow rate, different prere gas-liquid two-phase flow mixing effect. Then, thecontrol predesors after many experiments the results obtained in disguiseyzetheir own data obtained. The simulations indicatet liquid waterhe

9、 T-tube pass o the mainstream air pipe, to achieve better mixing effect of relatively harshconditions.Key words: Two-phase flow; T-tube; mixing; numerical simulation; the VOFm目录摘要Abstract第 1 章 绪论11.1背景意义11.1.1 T 型管中气液两相流的意义11.2国内外现状与总结21.2.1实验法21.2.2理. 31.2.3数值模拟法31.3本文内容4第 2 章 数理方法62.1气液两相流流型与流型图的6

10、2.1.1流型的意义62.1.2影响流型的62.1.3直管中两相流的流型图62.2控制方程与几何模型建立82.2.1 运用的模型与控制方程82.2.2 初始条件与边界条件的设置82.3 T 型管几何模型的建立92.3.1 运用介绍92.3.2 网格划分92.4 FLUENT使用10第 3 章 T 型管内的流场分布123.1几何尺寸及边界条件123.1.1 T 型管的几何尺寸123.1.2 T 型管模型的边界条件123.2流场内速度分布133.3流场内压力分布173.4 流场内壁面切应力分布223.5 本章小结24第 4 章 相分率分布254.1气液两相流相分率分布254.2液相分率的百分比29

11、4.3本章小结30第 5 章 总结及展望315.1 总结315.2 展望31参考文献33致 谢36第1章 绪论气液两相现象广泛存在于自然界和现代工业生产过程中，与人类的生活和生产密切相关。目前，在动力、化工、核能、制冷、石油和冶金等行业的许多生产设备，例如，各式气液两相混合器、气液分离器、电站的各种沸腾管以及化工行业的精馏塔等中都涉及气液两相工况，可以看出气液两相流的问题无处不在。因此，务必要重视这些工业中存在的现象带来的问题，特别是湍流模型的问题，这个在流体力学界的理论上至今还未完全解决的难题之一。1.1 背景意义在石油提炼的管道中，通常需要把一些化学药剂注入石油原材料中。如果对这种气体注入

12、液体的现象的很透彻，那它带来的问题也就迎刃而解了。古往今来，通过大量的实验观测发现，随着气相和液相表观流速的不断变化，T 型管内就会出现泡状流、湍流、弹状-环状流、环状流、波状流和搅拌流等几种气液两相流的流型1-6。许多者6-10根据实验数据得出管道中两相流的流型分布受到管道几何形状、管道几何尺寸、管道壁面润湿性、惯性力、流体的物性和管道处条件等多项的影响。类似于这样的事例多的数都数不清，可以说 T 型管中气液两相流的动力学数值分析的课题的发展与工业的发展、人类的发展是密切相关的。随着人类的进步，学术界不断的对气液两相流的提出新的课题，因而深刻探究 T 型管中气液两相流的动力学数值分析有着的理

13、论意义与工程实用价值。所以说，我觉得 T 型管中气液两相流的动力学数值分析的不仅成为了人类进步与工业发展的重要课题之一，而且具有重要的现实意义和科研意义。本课题在气液两相流中只是简单的动力学数值分析，从而得出气液两相流在 T 型管中达到比较好的混合工况点，并没有涉及到很深奥的知识点。气液两相流的动力学数值分析上的只是数值模拟与实验的基础，前人或多或少都提到了一些。然而我所要做的是，通过模拟试验与前人成果比对，分析自己数值模拟得到的结论，再探讨一下至今为止在流体力学界尚未解决的“湍流”等一些难题。1.1.1 T 型管中气液两相流的意义T 型管中物料混合最基本的问题就是气液两相的问题。对 T 型管

14、中液相理的，是 T 型管道中物料混合技术应注入连续气相主流管道中时混合运用的关键，也是在工业运用中达到最佳混合状况的基础。然而对于气液两相的复杂性，T 型管道中物料混合的理论问题，如气液两相相互作用机理11-12、气液两相混合的湍流模型等并没完全得到解决，当下对于管道中物料混合产生的实际问题先不做论述，这些存在的问题的解决在很大程度上还依赖于经验与实验。随着国民经济的发展，T 型管道中物料的混合技术对工业发展进度壮大与市场需求日益大，因此，对 T 型管中气液两相混合的理论与实验，对于完善混合技术理论基础，大大增加了 T 型管中物料混合达到最佳状态时带来的利益，促进了混合技术的工业化应用，对社会

15、发展与人类进步都具有重要意义。1.2 国内外现状与总结在气液两相流工作的早期，由于缺乏气液两相流和传热传质特性方面的知识，曾经发生过不少工业事故。目前，主要通过理想实验法、理及数值模拟法这三种方法对 T型管中气液两相流的动力学数值分析进行分析，本节也将分别从这面对国内外学者在这一领域的成果进行综述。1.2.1 实验法实验法是在实验基础上经过抽象、概括、推理得出规律的一种问题的方法。在一项新的课题时，国内外有大量学者都是通过实验法来，并且得到结论的。实验法是一种按照某种因果假设设计的，在高度控制的条件下，通过人为某些，以检定两现象之间是否存在着一定因果联系的方法。作为一种特定的方式，实验法涉及三

16、对基本要素：自变量与因变量；前测与后测；实验组与控制组。在此，通过一些的实验，可以简单了解实验法的重要性，具有的优点与存在的不足。13等在深为 l000 米的全尺寸模拟实验井上，进行了气液两相流实验，在获取大量实验数据后，依靠这些数据，再根据质量与动量守恒定律及其状态方程，然后通过变系数法，建立方程并求解，从而得出了适合井眼环空情况下的气体上升速度模型者依据本文流型过渡区及气体的上升速度模型所计算而来的结果和现有国内外有关模型计算结果相对比，不难发现14等与实验结果刚好吻台在分岔管路大量存在于石油行业的输送中，油水两相流的特性在分岔管路内将对流程控制、动力匹配以及下游处理设施产生显著的影响。在

17、者对分岔管路内的油水两相流的做实验后，即可获得初步的结果。通过数值模拟分析，便可以较好地反映了分15等岔管路内的油水两相的状态，为工程设计提供参考。通过对典型的泡状流、弹状流与流塞状流信号的实验分析表明：管在塞泡流存在较强的噪声信号时，而 V 型内锥却在泡状流内存在较强的噪声信号。3 种节流仪表均能较好地描述两相流的定态特性，能够用于两相流的流型识别以及它参数测量。1.2.2 理要达到完整的科学认识，须综合运用科学认识的理论方法对、观察、实验等所获得的感性材料进行整理、分析，把原来属于零散的、片面的和表面的感性材料进行加工，使之上升为本质的、深刻的和系统的理性认识。科学研究法中的理论方法就是提

18、供这种从感性认识向理性认识飞跃的切实可行的、具体的思考方法与加工处理的步骤的方法。从的不断试验中，须了解理在科学中的重要作用，具有的优点与存在的不足。16等流的运动参数进行了运用了经典气体动力学理论，对突出孔洞内煤瓦斯两相，推导了压力、密度、速度及流量等参数之间的数学函数关系，分析了突出过程中煤瓦斯两相流的临界状态以及与其相关的两相流声速理论，并通过数值模拟和现场实例对临界理论进行了直观描述。1.2.3 数值模拟法数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题的目的。数值模拟实际上就是用计算机来做实验。多相数值模拟方法主要有两

19、种：日方法和方法。数值模拟法作为近年来新兴的，很大方面突出了它在上的优势，所以说现在大多国内外的学者都会选用数值模拟分析来新的课题。从研究的不断试验，须了解数值模拟法在科学中的重要作用，具有的优点与存在的不足。17等对鼓泡塔内气液两相流进行了数值模拟，结果表明：在较大的气体表观速度下，鼓泡塔内液体呈现出总体环流结构，而在较小的表观速度下，气泡运动呈羽态，伴随有周期性的弯曲，塔内液体的环流较复杂，有多个18环流元胞出现。数值模拟结果与实验观测迸行了定性和定量的对比。等通过离心泵气液两相流对于该泵扬程和效率的的影响，通过数值模拟结果表明：增大气相浓浓度和气相颗粒直径都会导致扬程、效率下降，且增19

20、等针对 T 型微通大气相浓度对扬程、效率的下降特别显著。道气液两相流型的数值模拟，模拟表明：液相流体黏度的改变，对流型分布图的影响很小；而随着表面张力的减小，湍流的区域在逐渐减小，这说明表面张20等力对湍流的形成有较大的影响。运用计算流体动力学（CFD）方法对管桨搅拌槽和双通管搅拌槽内部流场进行数值模拟了流体在在管和双通管搅拌槽内宏观场的效果。发现，流体在双通管内部流场效果好。在此基础上可以看出，通气式搅拌槽开两个开一个孔效果好，这对搅拌槽的优化设计和工业放大效应有一定的实际意义。通过归纳总结国内外学者对气液两相流的可以看出，气液两相流在动力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工业设备中都有很重要

21、的运用，而且的大多都是工程上或者工业上与气液两相流相关的并且必须要克服的难题。不仅如此，他们对其大体的方法不外乎三种：数值模拟分析、实验观测以及探讨分析。可以说不管是从静态分析还是动态来看，国内外学者对气液两相流的已经达到了一个瓶颈，就是说现在留下来的问题都是以往遗留下来的难题，因此，为了突破这个瓶颈，须更加深入地。对于 T 型管中气液两相流的动力学数值分析是十分必要的，在诸多重要的工业与工程设计中，务必要考虑气液两相流之间产生的动力学问题。通过对 T 型管中气液两相流的动态不仅对于优化设计与工业放大效应也具有重大实际意义，而且对于工业中存在的隐患可以提前进行与防护。所以说，本其的在很大的领域

22、是的，在未来经济发展与社会进步都会产生极其显著的影响。1.3 本文内容本文第二章主要介绍的理论基础，包括气液两相流的流型与流型图21-26的、控制方程的计算方法、边界条件的分析以及数值计算方法的介绍，再简单说明本模型的建立步骤。第三章对流场进行详细分析，并且要将自己通过什么方法，运用什么思路怎么来做到这种效果做详细的。具体介绍自己所做设计的几何模型，在通过FLUENT 计算器时设置的边界条件，以及流场内速度与压力的分析，对比不同工况条件下的状况，得到简单的结论。第四章主要对气液两相的相分率作比较详尽的分析，得到不同相的重要参数以及影响相分率的，对得到的信息进行归纳总结。第五章重点是讲述了自己做

23、了该设计得到的重要结论，并且对自己在做该毕业设计过程中遇到的坎坷，如何面对并克服，还存在什么不足的地方进行简单的论述，展望自己的成果。第2章 数理方法这一章作为整个课题的准备工作，首先了解了气液两相流流型与流型图，再选用 VOF 模型是所要运用到的控制方程，然后通过流体进行建模与网格划分，并进行数值模拟计算，最后能够得出需要的数据结果与云图结果。2.1 气液两相流流型与流型图的气液两相流的流型可以很清楚的表示出流体上质点运动的轨迹以及速度分布状况，在气液两相流中就有、环流、层状流、冲击流、雾流等模型。两相介质的相界面分布状况，即流型，极大地影响着气液两相流的特性和传热传质特性，同时也影响着参数

24、的准确测量以及两相流系统的运行特性，因此气液两相流流型识别的不仅具有重要的实用价值和学术意义，也为相关工业生产设备安全、经济的设计与运行提供了有力的技术支持。正因为如此，气液两相流流型识别的一直是气液两相流领域的一个重要课题。2.1.1流型的意义须要了解气液两相流的流型。然而,在涉及到气液两相流问题时在两相流流型时，了解气液两相流流型所存在的意义就成为了重要步骤，气液两相流的流型主要存在四方面意义：第一是流型影响流体的换热特性；第二是流型影响压降特性；第三是不稳定性与流型有关；第四是建立模型与流型密切相关。当明白了气液两相流流型的意义时就可以反过来通过观察气液两相流的流型来反应一些参数的变化，

25、热交换的变化情况、压降的变化过程以及流体的不稳定性地方等。2.1.2 影响流型的在这些工作过程中，熟知影响流型的也成为了关键。流道的结构，流体的方向，是否存在热交换等都是影响气液两相流流型的重要。在接下来T 型管内气液两相流的动力学数值时就可以着重对流道的结构，流体的方向与热交换等做比较详细的准备工作，让以后通过数值模拟得到的结论能够更加的准确与清晰。2.1.3 直管中两相流的流型图、环流、层状流、冲击流、雾流等了主要的流型。这些个流型就不一一介绍了，接下来就观察直管中垂直下降的气液两相流的流型，从而达到能够分辨不同的流型。图 2-1 垂直直管道的气液两相流流流型图的应用比较广泛，其大致分为弹

26、状流区、搅浑流区、环状流区和泡状流区四个区域，同时能看出主要流型间的转换边界：弹状流与搅浑流界、搅浑流与环状流界和弹状流与泡状流界。图 2-2 垂直直管道的气液两相流流型图2.2 控制方程与几何模型建立2.2.1 运用的模型与控制方程为了更好的分析气液两相流在 T 型管内的状况，让数值模拟做以下 3 点假设：更加方便，1)2)3)该 T 型管内环境压强约为一个标准大气压和操作环境压强相同。气液两相的物性组成视为常数。数值模拟过程中设定为常温条件。本文主要运用的是 VOF 模型来模拟模拟计算的控制方程如下所示。，应用 VOF 模拟对气液两相流进行连续性方程为统中气液两相流混合效果28-29的重要

27、内容。系统在进行模拟的迭代步长求解前，需要对整个流程进行初始化。首先在要求解过程之前，做以下假设。1)2)3)初始时整个 T 型管中都是主流空气充满。初始时网格单元存在一个稳定的流速。假设计算域中操作压力为一个标准大气压，即，全局表压为 0。由于 T 型管的模型存在气相和液相二个以及相同的一个出口。因此，必须分别给与气相在处的流速与相分率，还有液相在处的压力差与相分率，最后还有一个出口条件。1) 气相（速度）速度：主流管道空气设定为三种不同大小的空气流速，方向沿 X相分率：液相分率为 0，气相分率为 1。方向。2) 液相（质量流量）质量流量：从注水管注入三种不同大小的流量。相分率：液相分率为

28、1，气相分率为 0。3) 出口及壁面边界条件设置出口处环境压力为表压为 0。本课题目前就壁面设置为默认，壁面影响不大。2.3 T 型管几何模型的建立2.3.1 运用介绍本模拟实验需要进行三维建模，划分网格以及液相在气相中的运动模拟。但是考虑到 T 行管的模型比较简单，所以主要运用 GAMBIT 与 FULENT。FULENT 是目前国内外使用最广泛的 CFD之一，可以用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂的，从而达到最佳的收敛速度与求解精度。凡是涉及到湍流、相变以及热传递等均可以使用。该包含了多种多样的物理模型、先进的数值计算方法和强大的前后处理功能，在流体管道设计、涡轮与泵等的设计、航天

29、航空等多方面都有广泛的运用。FLUENT具有强大的网格支持能力，包含丰富而先进的物理模型，含有多种多相流模型及传热燃烧模型，还应用于从可压到不可压、从单相流到多相流、从低速到高超音速、燃烧、化学反应、气固混合等几乎所有与流体相关的领域。2.3.2 网格划分本文通过 GAMBIT画出典型的 T 型管模型，下图为 T 型管几何模型。图 2-3 T 型格模型第一步：打开 GAMBIT第二步：创建 T 型管 第三步：切割 T 型管第四步：局部面切割，建立一个文件保存在桌面。第五步：划分网格第六步：定义边界面第七步：保存文件，导出 FLUENT 运行文件2.4 FLUENT使用FLUENTFLUENT可

30、以模拟从不可压缩到高度可压缩方位内的复杂，在使用计算时达到了最佳收敛速度和求解精度。FLUENT 作为进行模拟计算的求解器，本身提供的主要功能有导入网格模型、提供计算的物理模型、边界条件的设置与流体物性给定、求解和后处理，并且支持多种网格生成。FLUENT 的数值模拟求解步骤如下：第一步：导入文件第二步：检查网格与平滑网格第三步：确定长度，显示网格第四步：设置求解器选择模型第五步：设置流体的物理属性第六步：设置边界条件第七步：求解器监视设置与流场初始化第八步：保存*.cas 文件与迭代计算第九步：保存*.data 文件，显示云图导出第3章 T 型管内的流场分布本文的重点在于空气流速和进入管道的

31、水的质量流量对流速与压力的影响。对于这种简单 T 型管模型进行两相流数值模拟，首先要通过 FLUENT 计算器得到不同种工况场的情况，在通过分析流场，归纳总结数据，得出需要的结论。3.1 几何尺寸及边界条件3.1.1 T 型管的几何尺寸图 3-1 横着的为主管道：1687；竖直的为注水管道：223；注水前管道 0.5m，注水后管道 2m，注水0.3m。主流为空气，注入为水。气相与液相分别从二个进入该模型，二种相在岔口处汇合，在经液二相流的混合后由右边出口处流出。图 3-1T 型管模型3.1.2 T 型管模型的边界条件在进行流场计算前，必须对 T 型管模型的行分析。T 型管的主流管道空气进口采用

32、速度定义，在对它的边界条件进，采用标准流速根据雷诺数算得速度为 1.0m/s，3.0m/s，5.0m/s。考虑重力的影响，操作环境的压强为一个标准大气压，液态水进口采用质量流量，在进行数值模拟计算之前必须正确的设定边界条件，这对得到的数据进行归纳分析得到的结果是最重要的一步。表 3-1 模拟 T 型管内气液两相流的的参数主流管径(mm)副流管径(mm)主流空气流速(kg/s)副流水的流量(kg/s)1.01154163.025.033.2 流场内速度分布下图为管道中不同空气流速与不同注水流量速分布图。AB图 3-2 空气流速为 1.0m/s，注水流量为 3kg/s 下速度分布图在图 3-2 这

33、种工况下，可以简单的观察到流场内不同位置的流速大小与流场的的流速分布情况。不同位置流速变化很大，流场内的必定很剧烈。AB图 3-3 空气流速为 3.0m/s，注水流量为 3kg/s 下速度分布图在图 3-3 这种工况场内的变化稍微缓和了点，但是还是存在局部地方流速偏差较大，容易引起该地方不稳定，产生漩涡等。AB图 3-4 空气流速为 3.0m/s，注水流量为 2kg/s 下速度分布图在图 3-4 这种工况场内的流速大变化不大，相对会比较稳定，没有比较产生影响气液两相流混合的情况，可以说达到了预期的一个效果。AB图 3-5 空气流速为 5.0m/s，注水流量为 2kg/s 下速度分布图在图 3-

34、5 这种工况两相流混合的漩涡等速大小在局部位置变化相当大，容易产生影响气液情况。以上是 T 型管气液两相流四种不同的工况的速度流场图，通过仔细对比四幅可以很明显的观察速度变化情况。可以通过 2 组速度流场图的对比图，（图 3-2、图 3-3 与图 3-4、图 3-5），首先在注水管道中，随着注水流量的变大，注水管道内的流速总体呈现增大趋势。但是如果仔细观察就不难发现，主流空气流速的变化也会影响注水管道内水流速度。影响流速变化主要原因是当水到 T 型管交汇面时，就会与主流管道中流动的空气产生碰撞。此种碰撞需要分析 2 种情况：一种是水流没有撞击到 T 型管下壁面（注：见图 3-4 与图 3-5）

35、，另一种是水流撞击到 T 型管下壁面（注：见图3-2 与图 3-3）。在第一种情况下，前提条件就是空气流速改变了水流方向致使水流不碰壁，在这个空气流速或者大于这种流速的情况下，说明水流是不会回流到注水前管道的。（即不会在注水前管道产生速度漩涡，而会在注水管道之后产生速度漩涡。注：速度漩涡的大小是受空气流速与水流速度相互作用影响的。）因此随着主流空气流速的变大，就会产生二种情况：促进注水还是抑制注水。见图3-4 当空气流速不大于临界值（促进与抑制作用产生变更的流速值）时，空气与水流只会在管道中部产生速度很小的漩涡，是水流往二壁面，带来的效果就是空气的带动了水的从而产生促进流速作用。见图 3-5

36、当空气流速大于临界值时，就会在注水管道之后的上壁面与水生速度较大的漩涡从而阻碍空气与水流的，致使有一部分空气从注水管道中溢出而大部分从下壁面流走，从而就是挤压水流，阻碍水流向动产生抑制流速作用。在第二种情况下，前提条件就是空气流速小于一个定值，使得水流撞击到了T 型管的下壁面，在这种空气流速或者小于这种空气流速的情况下，说明在水流水流撞击到 T 型管下壁面后，水流的方向会向周边扩散，从而产生了三种情形：1、撞击水流向注水前管道（即水流回流到了注水前管道），水流与空气就产生了速度漩涡。2、撞击水流向注水后管道，水流与空气就产生了速度漩涡。3、小部分撞击水流反向流向注水管道中，与向动的水生碰撞（此

37、种情形由于反向水流比较少，可忽略不计）。这三种情形多多少少都对水流流速产生了抑制作用。见图 3-2 与图 3-3 可以看出，注水前管道主要是水流对空气作用产生的漩涡，继而促进水流的回流，阻碍混合相的，削弱了水流的流速；注水后管道主要是空气对水流作用产生的漩涡，部分水流被带入漩涡，产生比较小的漩涡，但是也会减缓混合相的，削弱了小部分流速。3.3 流场内压力分布下图为管道中不同空气流速与不同注水流量下，压力分布图。AB图 3-6 空气流速为 1.0m/s，注水流量为 3kg/s 下压力分布图（A 表示 T 型管全剖面，B 表示主管道 11 个纵向切面，下同）由图 3-6 可以看出，压力分布主要集中

38、在 T 型管的下壁面，分布不均匀，会产生影响气液两相流混合的情况，且比较剧烈。AB图 3-7 空气流速为 3.0m/s，注水流量为 3kg/s 下压力分布图由图 3-7 可以看出，压力分布较多集中在 T 型管上壁面，在上壁面区域会产生影响气液两相流混合的情况。AB图 3-8 空气流速为 3.0m/s，注水流量为 2kg/s 下压力分布图由图 3-8 可以看出，压力分布主要集中在 T 型管的壁面，且压力比较小，相对来说压力分布比较均匀，能让气液两相流达到比较良好的混合状态。AB图 3-9 空气流速为 5.0m/s，注水流量为 2kg/s 下压力分布图由图 3-9 可以看出，压力分布不均匀，且分布

39、状况和第二种情况比较类似，但压力偏差比较大，就是局部区域压力分布比较集中，对气液两相流的混合产生较大影响。以上是 T 型管气液两相流四种不同的工况的压力流场图，在观察了四幅图的总压变化图后，可以看出压力变化大体分布在局部地方，虽然总体分布不是很明显，但是从右边那十一个切面可以看出压力相对集中在一些部位。图 3-6 与图 3-7的工况点是水流流量比较大的，产生了局部冲撞与局部漩涡，不难看出总压比较大的地方就在气液两相流交汇处的 T 型管下壁面，当水流冲撞下壁面时产生比较大的水压，使得该局部总压比较大。但由于局部漩涡的水流量比较小，因此总压变化就不大。图 3-8的工况点，水流既没有冲撞到壁面也没有

40、和空气产生漩涡，因此，总压变化相对不大，且分布比较均匀。图3-9的工况点，水流没有冲撞到壁面，但是与空气作用产生了比较大的漩涡，该漩涡处水流量相对比较大，产生了比较大的水压，因此，该局部的总压相对较大。3.4 流场内壁面切应力分布由主流管道向空气出口看，流道内壁面的剪切应力分布情况图。图 3-10 空气流速为 1.0m/s，注水流量为 3kg/s 下壁面切应力分布图图 3-11 空气流速为 3.0m/s，注水流量为 3kg/s 下壁面切应力分布图图 3-12 空气流速为 3.0m/s，注水流量为 2kg/s 下壁面切应力分布图图 3-13 空气流速为 5.0m/s，注水流量为 2kg/s 下壁

41、面切应力分布图通过把不同工况下速度与压力的全剖面图拿出来比对以及对壁面切应力图的观察可以很明显的得出：首先在分析速度图 3-2 与图 3-3 时，当水流较大冲撞T 型管壁面产生了比较大的水压冲击，可以从图 3-6 与图 3-7 看出在 T 型管交汇处的下壁面产生了比较大的压力。再观察图 3-10 与图 3-11，该处壁面的的压力比较集中，壁面的切应力就比较大，对管道的损害较大，对管道材料的要求就会加大，那么投入的经济也相对加大，实际情况中无论其混合效果有多好都得避免产生这种问题。然而在速度分析图 3-5 中是由于两相流相互作用而产生了比较大的漩涡，也可以从图 3-9 中看出注水后管道的上壁面产

42、生了比较大的压力，也是属于压力集中的地方。再观察图 3-13，该处的壁面切应力也相对会比较大，壁面切应力分布相对比较集中，产生的危害与带来的损失就不明细说明了，不适用实际情况。最后那图 3-8 可以看出，该管道内的压力变化不大，分布相对比较均匀，由于液相的粘性使得有部分液相粘附在管道壁上，但是由于覆盖在内管道壁面是薄薄的一层，即压力分布的表面比较大。在观察图 3-12，该壁面切应力分布比较均匀，且壁面的剪切应力相对比较小，带来的危害就比较小，选择材料时要求相对就不会很大，即安全又经济，适用于实际情况。3.5 本章小结本章利用 FLUENT 获取各截面的流速、压力与壁面切应力分布图，在通过数值分

43、析与归纳总结得到结论。不难发现水流流速比较大的地方，说明该处的水流量相对也比较大，则该处的水压也会相对大于其他地方，那么在这种压力比较集中的地方就会产生比较大的壁面切应力。所以说，无论是流速、压力还是壁面切应力分布图，它们之间存在相互并且相互影响。第4章 相分率分布本章将利用 FLUENT 计数器来模拟气液两相流在 T 型管内的运动规律，在各项流场模拟的基础上，再通过不同工况下截面的气液两相分布情况与相同液两相分布情况来验证在 T工况下不同截面的气液两相分布情况，从而通型管内的运动规律。4.1 气液两相流相分率分布下图为管道中不同空气流速与不同注水流量下，液相分率云图。AB图 4-1 空气流速

44、为 1.0m/s，注水流量为 3kg/s 下液相分率云图（A 表示 T 型管全剖面，B 表示主管道 11 个纵向切面，下同）在图 4-1 这种工况下，时间内流进管道的液体的量明显较多，而且在管道内气液两相的混合比较剧烈，产生比较苛刻的运动规律。AB图 4-2 空气流速为 2.0m/s，注水流量为 3kg/s 下液相分率云图在图 4-2 这种工况下，空气流速与注水流量在一定程度上已经渐渐达到了比较好的一个点，但从图中可以看到混合效果还不是很好，出口的气液两相流的相分率分布还是不稳定，说明时间内注水的流量还是较大。AB图 4-3 空气流速为 2.0m/s，注水流量为 2kg/s 下液相分率云图在图

45、 4-3 这种工况下，可以看到混合效果达到了比较完美的程度，时间内空气流进管道的量与液相流进管道的量在这种模型的 T 型管中正好能达到一个比较好的混合效果。AB图 4-4 空气流速为 3.0m/s，注水流量为 2kg/s 下液相分率云图在图 4-4 这种工况下明显混合很差，空气的量比较多，注水的量太少。在上述四种工况下，在经过下述简单的分析后，可以得出相关的结论。首先，观察图 4-1 与图 4-2 分析，二种工况下的气液两相流的都比较复杂，涉及到了水流的撞击壁面，水流的回流以及水流和空气产生的漩涡等。在这二种工况下，气液两相流的相对来说比较剧烈，在整个管道路径内，每个切面的液相分率都是与众不同

46、的，说明液相分率一直呈现不稳定的状态，即当气液两相流到达出口时，两相流的混合还是不均匀。而图 4-1 与图 4-2 相比较可得，相同注水流量下，主流管道内空气流速比较小时，时间内流进管道内的水流就比较多，因此各个部位的液相分率都比后者稍大。前一种工况下，T 型管内两相流的相比较于后者较剧烈，而且它的液相分率想要达到相对稳定需要的时间就相对较长。所以说想要达到比较良好的混合效果，需要比较长的管道，这对与经济需求就，并不能满足实际情况。再者，对图 4-3 仔细观察与分析，对 T 型管内每个切面的液相分率变化做一一论述，T 型管道内液相分率在中间的一段变化相对剧烈，等两相流到达 T型管的后面时，液相

47、分率变化趋向平稳，即气液两相流达到了比较良好的混合效果。该种工况下，气液两相流能够比较迅速的达到比较良好的混合效果，因此，对管道长度的需求就不会很高，相对比较经济实用，能满足实际要求。最后对图 4-4 仔细观察与分析，对 T 型管内每个切面的液相分率变化进行论述，液相分率的大小分布不稳定，由于空气流速相对较大，（即时间内通过的空气量比较多）注水流量相对比较少，因此大部分水流都是靠着壁面而没有与空气达到比较良好的混合。从每个切面看出，壁面上的液相分率相对较大，管道中部的液相分率相对较小，因此较难达到比较稳定的混合效果，实际情况就不适合使用这种混合工况点。本文课题的一个重点就是看气液两相流在 T

48、型管的交汇面碰撞与相互作用再到一步步的混合的过程。在随着给定参数空气流速大小的变化以及参数注水流量多少的改变，便会导致各相数据如速度、压强与壁面切应力等发生变化，即得到了多个工况点下的气液两相流的混合情况。4.2 液相分率的百分比下表为在一个中间剖面上，液相面积占总面积的百分比，可从单一的剖面上得出 T 型管内气液两相流的液相所占的百分比数据。（注：横坐标为注水流量，纵坐标为液相分率的百分比，菱形折线图为空气流速为 1m/s，正方形折线图为空气流速为 3m/s，三角形折线图为空气流速为 5m/s。）图 4-5 液相与两相之和的百分比折线图从上述图表可以看出，空气流速是影响液相占两相流之和百分比

49、的最关键因素，通过比对三种不同空气流速，当观察注水流量不变而空气流速相对较小时，液相所占的百分比相对就较大，说明随着空气流速的减小，T 型管道内液相的分布相对会增多。再通过比对三种不同注水流量，当观察空气流速不变而注水流量相对较大时，液相所占的百分比相对就较大，说明随着注水流量的增大，T 型管内液相分布相对会增多。影响液相在 T 型管内的分布的主要是空气流速与注水流量，次要包括管道结构与重力等外界条件。空气流速对液相分布相对比较明显，而注水流量对液相分布相对变化不是很大。因此想要达到液相占两相之和百分比较高的时候，粗调的话可以优先采用改变空气流速的方法，而微调的话可以采用改变注水流量的方法。这

50、种情形运用在实际混合设备中，能更好的做到迅速与有效的达到比较良好的混合效果。4.3 本章小结本章在运用了 FLUENT 计算器对切面的液相分布进行了数值的整理、分析与总结，得出 T 型管内气液两相的分布情况。主要了液相在 T 型管道内分是空气流速的影响相对比较布的影响，致使两相流迅速混合的最关键大，而其次就是注水流量的影响相对较小一点。第5章 总结及展望5.1 总结这种 T 型管道本身结构简单，问题少，在工程上的多相流混合系统中能够较多的被应用。通过设计管道，再进行数值模拟，从而找到最合适的混合工况点。这种数值模拟有利于工程上最节省，最有效，最迅捷的混合技术的提高。经过了长时间的摸索，对工况点

51、的分析探讨，通过 FLUENT 计算器的模拟计算找到比较合适的工况点，总结上述经验所得，可以得到如下结果：第一点：通过较简单的数值模拟计算，粗略的得出了一个较合适的工况点，使得气液两相流在 T 型管内的混合效果相比较其它工况点来说比较良好。第二点：我所的 T 型管，虽然结构相对来说比较简单，但是想要达到预想的效果，找到合适的工况点并不容易。就是因为过于简单的结构，从而它对气液两相流达到比较良好的混合效果所需要的条件就更加的苛刻，对空气流速大小与注水流量多少的设定要求更加的苛刻。第三点：在通过 FLUENT 计算器速度、压力与壁面剪切应力流场时，可以得出要设计看似简单的 T 型管道，需要考虑的有

52、很多，而最基本的就是壁面剪切应力。它是影响 T 型管结构设计与组成成分的关键，它对实际情况中带来的危害需要高度重视。5.2 展望本次T 型管内气液两相力学的数值分析，虽然在不断的摸索、尝试与试验中得到了一些自己需要的结论，但建模过程中，或多或少的遇到了管道设计结构与 T 型格划分的难题，但在一次次的实际操作与需求帮助下，最终比较快捷的解决了存在的一部分难题，但是在 T 型管交汇处的网格划分还是存在不足的地方。在 FLUENT 计算器求解过程中，不管是在 FLUENT的操作运用，还是在计算过程中对适宜工况点的摸索与选择，或多或少有点进展也有点不足。在FLUENT 选择计算模型与计算方法还有边界条

53、件的设定过程中，还是存在一些不到位的地方，这一系列的设定一定会对最后的计算结果产生或多或少的影响，有成功的点也有失败的例子。在计算过程中，最难掌握的就是摸索出比较适宜的工况点，经过多少次的尝试，一次次的不成功最终才能让我找到相对较好的工况点。在摸索着适宜工况点的过程中，耗费了大量的时间与精力，经验稍浅的本科生对这些点的掌握比较生疏，因此多少会受到拖累，但最终还是能够比较有效的解决这些问题，让我倍感欣慰。最让人头疼的就是在最后的数据分析与图形解剖的过程中，作为缺乏经验的本科生，在分析数据后归纳总结结论时，总归有些啰嗦，隐隐约约抓住了重点却又貌似没有的感觉，得出的结论往往比较俗气且没有条理。原本就

54、没有这方面的经验，也就只能凭着看过的文献与自己的想象来分析与总结结论，尽量的得出比较靠谱且有意义的结论。在完成本文的内容后，虽说还是存在众多的不足，但是收获却是无限大。通过这次我能够对管道内气液两相流的动力学数值分析有一个比较深刻的认识，在今后探究此类问题时或者深入探讨这些问题时就能得到的收获。参考文献iaana S M, Abdel-Khalik S I, et al. Gas-liquid two-phase flowicro1Triplett K A, Ghchannels (Part I): Two-phase flow patterns J.ernational Journal of

55、 Multiphase Flow, 1999,25(3): 3773942Liu H，Vandu C O, Krishna R. Hydrodynamics of Taylor flow in vertical capillaries: Flowregimes, bubble rise velocity, liquid slug length, and prere drop J. Industrial & EngineeringChemistry Research, 2005, 44(14): 488448973,. 微通道内气液两相流行为进展J. 化工进展, 2007,26(8): 1068

56、10744Waelchli S, von Rohr P R. Two-phase flow characteristics in gas-liquid micro reactors J.ernational Journal of Multiphase Flow, 2006, 32(7): 7918065Gupta R, Fletcher D, Haynes B S, et al. Taylor flow in micro channels: A review ofexperimental and compuional work J. Journal of Compuional Multipha

57、se Flows, 2010, 2(1):1316Cg P M-Y, Kawaji M. The effect of channel diameter on adiabatic two-phase flowcharacteristics in micro channels J.ernational Journal of Multiphase Flow, 2004, 30(7/8):7357617Shao N, Gavriilidis A, Angeli P. Flow regimes for adiabatic gas-liquid flow in microchannels J. Chemi

58、cal Engineering Science, 2009, 64(11): 274927618Yue J, Luo Lingai, Gonthieret Y, et al. An experimental investigation of gas-liquid two-phaseflow in single micro channel contactors J. Chemical Engineering Science, 2008, 63(16):418942029Pohorecki R, Sobieszuk P, Kula K, et al. Hydrodynamic regimes of

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