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重力场强对水平管内气液两相流动的影响研究

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 不同重力场下水平管内气液两相流流型及含气率实验研究

1.2.1 不同重力场下水平管内气液两相流流型实验研究

1.2.2 不同重力场下水平管内气液两相流截面含气率实验研究

1.3 不同重力场下水平管内气液两相流流型及截面含气率理论研究

1.3.1 不同重力场下水平管内气液两相流流型理论研究

1.3.2 不同重力场下水平管内气液两相流截面含气率理论研究

1.4 本论文研究内容

1.5 本章小结

第二章 不同重力场下水平管气液两相流动数值模拟研究

2.1 数理模型及网格验证

2.1.1 物理模型

2.1.2 数学模型

2.1.3 模型验证

2.2 结果与分析

2.2.1 水平管内气液两相流流型分析及重力影响

2.2.2 水平管内气液两相流截面含气率参数分布受重力影响

2.2.3 不同重力场下水平管内气液两相流截面含气率波动特性的理论分析

2.3 本章小结

第三章 地球重力条件下水平管气液两相流实验

3.1 实验系统与方法

3.1.1 地球重力下水平管内气液两相流流动可视化实验原理和系统

3.1.2 地球重力下水平管内气液两相流流动可视化实验方法与步骤

3.2 实验结果分析

3.2.1 地球重力下水平管气液两相流流型

3.2.2 地球重力场水平管气液两相流流型图

3.3 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 主要创新点

4.3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢

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摘要

在航天探测活动中,航天器长期运行在不同于地球表面地球重力条件的重力场强中(如沿稳定轨道飞行的航天器内残余重力g≤10-4g0,木星表面重力g≈2.3 g0),而水平管道中的气液两相流动在以上重力场强环境中的规律显然不同于地表地球重力情况。因此,研究重力场强对气液两相流的影响机理,特别是对流道内各介质流动分布特性(如流型、空隙率分布与波动等)的影响机理,将对航天器气液两相流装置的研发提供理论基础和技术支撑。本论文的主要研究内容及研究结论如下:
  (1)基于VOF方法,建立二维水平管内气液两相流动的数学模型,数值模拟研究了不同重力环境中不同表观流速下水平管内气液两相流流型,研究水平管内充分发展段截面含气率分布和波动规律,绘制微重力场下不同表观速度下的气液两相流流型图。并且,本文的实验结果也验证了所建立的理论模型的正确性。研究结果表明:重力场强的升高促进浮力作用增强,致使流动过程中的气泡(气塞)更容易在水平管路的上部聚并,从而导致流型变化;重力场的增强导致垂直于流体流动方向的截面含气率峰值对应高度Y上移,液相工质厚度不断增大,气液界面的平均位置上升;不同重力条件下的截面含气率波动信号的功率谱密度与概率密度曲线呈现出不同形态,随着重力场的增大,截面含气率波动信号功率谱密度曲线峰值对应的频率下降,截面含气率波动信号的概率密度分布区间减小。
  (2)设计搭建地球重力场下气液两相流可视化实验台,观察地球重力下不同表观速度下的8mm水平管内气液两相流流型特征,验证本文所建立的理论模型的正确性,对比分析微重力与地球重力场下不同表观速度下的气液两相流流型,揭示重力场强对水平管内气液两相流流型的影响机制。研究结果表明:在地球重力条件下水平管内气液两相流流动中,重力对其流动特征及流型的产生与转换往往起着主导作用,因而产生了微重力条件下所没有出现的分层流与波状流;同时,重力导致流动的非对称性,使得地球重力条件下8 mm水平管内气液两相流出现的泡状流、塞状流、弹状流等流型与微重力相比呈现出明显的气体上浮,液体沉积现象;地球重力条件下,实验观测的不同气液两相表观速度下8 mm水平管内两相流流型中分层流出现几率最大,并且相比于微重力条件下,水平管内出现弹状流与环状流将需要更大的气相流速。

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