孔板通气气液两相流动特性研究

作者:王国玉;崔震宇;黄彪;高德明; 刊名:北京理工大学学报 上传者:张菡菡

【摘要】采用实验与数值模拟相结合的方法研究了孔板通气气液两相流动特性和气层形成机理.应用高速录像观察了通气气液两相流流动形态,采用Level Set方法和RNGk-ε湍流模型对通气平板流场进行了数值计算.结果表明气层覆盖区域压力是判定气层形成的重要参数:泡间高压消失表明当地的气泡开始形成气层,当气层基本形成时,壁面压力趋于一致.旋涡结构在气层形成不同阶段具有明显的特征,在气层初始形成位置前后,肾形涡由于气泡接触相互作用而逐渐消失;在气层完全形成位置前后,旋涡结构重新生成.随着孔间距的增加,气层形成位置由于横向距离增加而向下游移动,但相互作用区域变化不大.

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主动通气是一种广泛、有效的水下流动控制手段,通过在航行体表面设置气孔、开缝等向水中通入气体,形成气泡、气层、气腔等结构,达到减阻、降载、提高流动稳定性等目的.对于不同的来流条件和通气参数,主动通气形成的流场特征主要包括边界层气泡、边界层气层、通气局部空泡、通气超空泡等.边界层气泡与气层流动特征主要出现于流线型结构的绕流流动中,此类研究中以往针对平板结构的研究最为系统.针对平板流动气泡流态,Merkle等[1]论述了这一问题中最主要参数:充气孔下游距离、气体流量、来流速度、平板方向(浮力)、通气孔几何形状、壁面粗糙度的影响.Madavan等[2-3]测量了实验室尺寸的平板湍流边界层气泡流动控制,结果表明气泡尺寸分布来源于自由来流速度和通气量,而气层在平板下方时效果好于上方.但对于细致因素和流态的影响机理问题,至今仍未有明确结论.Wendy[4]指出在小来流速度/通气大流量条件下,能够形成完整的气层流态,减阻率达到80%,效果显著提升.Brian[5]进一步确认了由气泡向气层形式转变现象,结果表明转变过程能够使减阻效果迅速从20%提升至80%.张燕等[6]研究了受横流影响的冲击射流,揭示横流与射流相互作用所形成的大尺度涡结构分为4类:剪切涡、马蹄涡、尾迹涡和反向旋转涡对,说明流场中涡旋结构的形成、演化特征和涡间相互作用复杂机制.刘晓红等[7]研究了小孔辅助射流结构,减小了主孔射流形成的肾形涡的尺度和强度,提高了冷却效率.目前为止,关于通气平板气泡演变及涡结构变化的研究不够充分.为深入研究通气气液两相流流场结构特性、流动机理及气泡形成气层的过程,文中以平板为研究对象,采用高速录像观察了通气气液两相流流动现象,采用LevelSet方法和RNGk-湍流模型对通气平板流场进行了数值计算,并对气层的形成机理进行了详细的分析.1实验设备实验在循环式空化水洞中进行,通过上下部和前侧面的透明有机玻璃板,观察平板周围的流场形态.实验中,平板位于实验段上方(减小浮力对气泡的影响).实验中,重要的量纲一的参数分别定义为弗劳德数Fr=U/g槡L,(1)通气率gm=qinV/UA,(2)式中:U为平板下方来流平均速度(速度剖面充分均匀);L为特征长度;g为重力加速度;A为排气孔面积;qinV为通入气体的体积流量.2模型选择和边界条件2.1模型选择采用均质平衡流模型,RNGk-湍流模型来模拟绕水平平板通气流动流场,采用LevelSet方法来捕捉水气交界面[8].2.2计算边界条件及设置计算域与实验段相同,计算域总长2100mm,宽度70mm,高度175mm,平板工作段长300mm,通气孔位于距工作段前端60mm处,孔数5个,孔直径d=2.6mm,孔间距2.9d,工作段前后各有一段光滑过渡的导流段.数值计算中采用速度入口与压力出口作为边界条件,通气孔为质量流量入口,固壁为无滑移壁面条件.网格采用全结构化网格,近壁处及通气孔附近的网格加密处理.图1给出网格无关性验证曲线.选取阻力系数进行无关性验证,从图中可以看出,网格数目在200万以后阻力系数变化不大,因此网格数选择200万.图1网格无关性验证Fig.1Gridindependencetest3结果与讨论3.1实验与数值结果对比图2分别给出了特定时刻实验结果与数值计算结果对比.图2实验与数值计算得到的气泡形态对比Fig.2Comparisonsofthenumericalcomputingresultswithex-perimentalobservations计算中,气层用v=0.2的等值面表示.实验与数值计算结果均表明:气体经通

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