垂直管内绕圆柱流动特性数值模拟及实验研究

摘要

工业领域内存在着大量的气液两相绕流柱体的现象，一定工况下形成交替脱落的旋涡，诱发柱体受到脉动升力的作用，由此产生的疲劳损伤大大缩短了工业设备的使用寿命，因此，对两相绕流的数值模拟及实验研究，能给工业设备的设计和安全运行提供充分的科学依据。 本文对垂直上升管单相气体绕圆柱流动采用计算区域分割法，使圆柱表面得到正交性好的结构化网格，采用有限容积法，准确的模拟了表面涡的产生、发展和脱落的演化过程；发现当边界层为层流边界层时，随Re数增大，尾流的速度波动幅度变大，涡街的波动频率变大，脱离点向来流方向偏移；从速度矢量方面分析了尾涡的三种发展形式及二次涡的两种不同的形成机理。 在此基础上，采用体积平均方法建立了气液两相流动控制方程组，并推导了气液两相流动阻力，升力及附加质量力的相间作用力的表达式。综合考虑了由剪切引起的紊流和由气泡引起的紊流关系式，采用基于RNGк-ε紊流模型对气液两相绕流流动进行模拟，并采用壁面函数法将这种高紊流Ee数下的к-ε模型推广到了近壁区。通过计算发现：对气-液两相绕圆柱流动，旋涡脱落频率随含气率的增大而增大；脉动升力系数先随含气率的增大而缓慢增加，在含气率增大到0.1后增大得较快。 自行设计并建造了涡街发生体试验台以及旋涡脱落频率测量装置，并测量了旋涡脱落频率，验证了模拟结果的正确性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

论文原创性声明及论文知识产权权属声明

第1章绪论

第2章单相流中涡街特性的数值模拟及结果分析

第3章气液两相流绕圆柱流动数值计算模型

第4章两相绕流模拟结果分析

第5章实验装置及实验结果与模拟结果比较

总结与展望

致谢

参考文献