气液两相状态下有衬里水带水动力特性研究

作者:郭雷;张树生;程林 刊名:科学技术与工程 上传者:万国荣

【摘要】消防水带内工质为有压气液两相流状态时,其工作过程中会产生无规律振动,极易造成水带磨损和水枪的难以掌控,影响灭火救援工作的开展。对气液两相状态下消防水带水动力特性展开研究,通过数值模拟和实验的方法探索水带内气泡流动、合并、破碎、脱离的过程,分析气相比例、运行压力对水带稳定性的影响。数值计算中考虑重力、表面张力和壁面黏附作用。研究结果表明:气相比例是导致水带不稳定运行的重要因素,但存在一个极大值;运行压力的增加会直接导致水带运行不稳定性的增大,但两者之间未发现定量关系;气液两相的剧烈扰动,是造成气泡的流动、合并、破碎的主要诱因,在气液两相流状态下,应尽量避免水带高压运行。

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消防水带在首次充水或密封不良条件下,会造成水带内气水两相共存流动的问题[1]。在有压条件下的气液两相流动,是诱发水击、水带振动和水枪难以掌控的主要原因,是造成水带损坏甚至爆管的重要因素[2]。因此,水带有压运行状态下的气液两相流研究,对水带安全、节能运行等具有重要的意义。气液两相流是非常复杂的物理过程[3],两相间存在易变形及分布不均的界面,并且受到表面张力,液相管壁附着力,以及两相之间的动量、质量、能量的传递,其物理特性及数学描述比单相流复杂的多。Chen,Yuan等人通过计算流体力学软件进行水平、垂直管道的气液两相流数值模拟,通过与实验数据比较,得到了令人满意的结果[47]。T.Hibiki等[8]对竖管内泡状流动进行了参数的测量,通过图像处理的方法获得了轴向含气率、截面浓度、气相速度、气泡平均直径和气泡密度等参数,提出了分布参数和漂移速度的本构方程,与实验结果的误差为6.76%。阎昌琪[9]也对气液两相流动过程进行了可视化实验研究,实验发现在一定条件下,淹没消失点和淹没开始点所对应的气体流量不同。经过前人的不懈努力,总结出了一些适用于气液两相流的经验公式[10,11],但由于实验条件的差异性,导致关联式的适用范围非常有限,很难得到一般性认可。结合以上文献研究,采用数值模拟的方法进行水带内气液两相流动的瞬态研究,探究水动力学机理,分析振动特性产生的原因,并将研究结果与宏观实验数据进行对比分析,得到理论与实验数据的统一。1气液两相流的数值模拟1.1数学模型及其求解方法本文的数值模拟是以现通用聚氨酯有衬里水带为原型,建立内径为65mm、80mm,长度为1000mm的研究模型。根据消防水带国家标准,设定壁面摩擦系数,工质从底部入口流入,从上部出口流出。水带内气液两相流的数值模拟,需要获得气泡的流动、合并、脱离等过程,所以必须选用流体体积函数模型(volumeoffluid,VOF)进行计算。对相界面的跟踪是通过求解两相容积比率方程来实现的。对于第N相,方程如下Nt+v"N=SNN(1)不存在相间传质的情况下,式1右端的源项SN为零,各相容积比率的计算基于如下约束条件NN=1N=1(2)需要注意的是,采用VOF模型,选择使用几何重构方案,各方程的解具有对时间的依赖性,要通过观察库朗数(courantnumber)的大小作为调节时间步长的依据,库朗数越大,每一个时间步长内包含的计算步数就越多,求解的结果越粗糙,一旦库朗数大于250,时间步长超过限制,求解停止。1.2网格划分及边界条件的设定气液两相流模型对网格的敏感度非常高,贴近壁面的薄层是气泡运动的主要区域,其对网格要求更加苛刻,此处网格尺寸的细微变化都有可能引起解的不收敛。现对贴壁薄层进行网格加密处理,最小网格尺寸由气泡临界半径确定。根据气泡临界半径公式[12]rc=2Tsathfgv(Tl-Tsat)c(3)式(3)中,rc表示气泡临界半径,表示表面张力,Tsat表示饱和温度,hfg表示相变焓值,v表示气相密度,Tl表示液相温度。在水带运行温度确定的情况下,可以估算出气泡半径,依据本文经验,最小网格尺寸取为rc的1/10较为合适。气液两相流动过程中,气泡和壁面之间会形成一个角度,把这一角度称为接触角。当VOF模型与表面张力模型联合使用时,指定一个壁面接触角是必要的。在Young方程中,接触角的值不是唯一的,具有随意性,可在2个相对稳定值之间变化,最大值称为前进接触角,最小值称为后退接触角[13]。在UDF中,设定气泡产生的一刻为气泡生长周期的零时刻,气泡脱离的时刻为这一周期的终时刻[16]。在一个

参考文献

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