（轮机工程专业论文）直管型气泡泵气泡成形及工作特性的数值模拟.pdf

0 j i 1 - at h e s i ss u b m i t t e dt o d a u a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u w d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g f e n g f e i ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg a oh o n g t a o j u n e2 0 1 1 _ 小 i 一 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：亘筻型氢泡基氢渔盛形区王佳挂丝的麴鱼蕉垫：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：歹匀l 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密一( 请在以上方框内打“寸，) ：7 孙名：跏平 日期：争玎年月争g o _ 中文摘要 摘要 2 l 世纪是能源竞争异常激烈的世纪，随着人类掠夺式的开采能源，能源已经 逐步成为制约各国经济发展的瓶颈，这一点在我国更加明显，我国人口众多，人 均能源资源占有量少、国内保障程度低，从长远和总量上看能源供给不足是我国 的基本国情。解决能源的途径，一是开发可再生能源，二是节约现有的能源。在大 力倡导节能与环保的今天，以工业废气、废热、余热或者太阳能为驱动能源的溴 化锂吸收式制冷系统，因其耗电少、振动小、噪声低，安装操作简便，不使用对 臭氧层有破坏作用的氯氟烃化物而称为制冷空调领域研究的热点之一。在此基础 上的无泵溴化锂吸收式制冷机更是直接采用气泡泵代替机械泵，大大减少了对能 量的利用。作为无泵溴化锂吸收式制冷机的核心部件一气泡泵，其性能的好坏直 接决定了整个制冷装置的效率。 本文的主要工作是对水和溴化锂两种不同工质下气泡泵运行中气泡的成型、 运动进行了数值模拟，观察其形成运动规律，同时基于气泡泵压力模型得出管径、 加热功率等参数对气泡泵工作性能的影响。得出的主要结论有：当溶液工质为水 和溴化锂两种不同工质时，气泡的成形有着很大的不同，工质为水时，气泡会在 壁面聚集然后脱离壁面向上运动，而当工质为溴化锂溶液时，一开始生成的气泡 会脱离壁面向上运动，在向上运动的过程中出现聚集。随着气泡泵管径的增大， 气泡泵的最大提升高度会有较大的增加，随着加热功率的增大，气泡泵的最大提 升高度也会有明显的增加。 关键词：气泡泵；数值模拟；压力模型 - 、 h i 英文摘要 a b s t r a c t t h e2 1s tc e n t u r yi st h ec e n t u r yo ff i e r c ec o m p e t i t i o nf o re n e r g y w i t ht h ep r e d a t o r y e n e r g ye x p l o i t a t i o n , e n e r g yh a sg r a d u a l l y b e c o m et h eb o t t l e n e c kr e s t r i c t i n gt h e d e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m i e s ，w h i c hi sm o r ee v i d e n ti no u rc o u n t r y b e c a u s eo f 0 1 1 1 l a r g ep o p u l a t i o n , l e s se n e r g yr e s o u r c e sa n dl o wl e v e lo fd o m e s t i cs u p p l e m e n t , e n e r g y - l a c k i n gi st h eb a s i cn a t i o n a lc o n d i t i o nf r o mt h ep o 访to fl o n g - t e r me n e r g ys u p p l y a n dt h et o t a l t h e r ea r et w ow a y sf o rs o l v i n gt h ep r o b l e m s ，o n eo fw h i c hi st oe x p l o i t t h er e n e w a b l ee n e r g y ，a n dt h eo t h e rw h i c hi ss a v i n gt h ee x i s t i n ge n e r g y b e c a u s eo fi t s l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , l i r l ev i b r a t i o n , l o wn o i s e ，e a s yi n s t a l l a t i o n , a n dn od a m a g et o t h eo z o n el a y e r , t h el i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw h i c ht a k e st h e i n d u s t r i a lw a s t eg a s ，w a s t eh e a t , s o l a re n e r g ya si t sd r i v ef o r c eh a sb e c a m eo n eo ft h e h o t t e s tr e s e a r c hf i e l d s o nt h eb a s i so ft h el i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n s y s t e m , t h el i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nc h i l l e ru s e st h eb u b b l ep u m pt or e p l a c et h e m e c h a n i c a lp u m pw h i c hg r e a t l yr e d u c e st h eu s eo fe n e r g y a st h ec o r ec o m p o n e n to f t h el i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nc h i l l e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft h eb u b b l ep u m pd e t e r m i n e s t h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o no ft h es h a p ea n dt h em o v e m e n to ft h eb u b b l ea l e c o n d u c t e dt oo b s e r v et h e i rr e g u l a rp a t t e r n s b a s e do nt h eb u b b l ep u m pp r e s s u r em o d e l ， e f f e c t so fb u b b l ep u m pd i a m e t e r , h e a t i n gp o w e ra n de t co nt h eb u b b l ep u m p p e r f o r m a n c ea r ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eb u b b l ef o r m i n gi s d i f f e r e n tw h e nt h ew o r k i n gf l u i d sa r ew a t e ra n dl i t h i u mb r o m i d e v v h e nt h ew o r k i n g f l u i di sw a t e r , t h es m a l lb u b b l e sg a t h e ra tt h ew a l la n dt h e ng ou p w a r df r o mt h ew a l l ， b u tw h e nt h ew o r k i n gf l u i di sl i t h i u mb r o m i d es o l u t i o n , t h es m a l lb u b b l e sw i l lj u m p u p w a r df r o mt h ew a l li m m e d i a t e l ya n dg a t h e ri nt h ep r o c e s so fm o v e m e n t w i t ht h e t u b ed i a m e t e ra n dt h eh e a t i n gp o w e ri n c r e a s e s ，t h em a x i m u ml i f th e i g h to ft h eb u b b l e p u m pi n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：b u b b l ep u m p ；s i m u l a t i o n ；p r e s s u r em o d e l l i i 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 气泡泵的发展历史和研究现状2 1 3 气泡泵中气泡生成运动情况的数值模拟的发展现状一6 1 4 本文主要工作7 第二章气液两相流理论以及气泡泵理论8 2 1 气液两相流的基本理论。8 2 1 1 气液两相流动的基本概述8 2 1 2 气液两相流的各种流动型式9 2 2 气泡泵相关理论1 4 2 2 1 气泡泵的工作原理1 4 2 2 3 气泡泵提升液体过程中气泡的运动形态1 5 第三章气泡泵参数以及气泡运动c f d 数值模拟的理论基础19 3 1 流体力学数值模拟方法及其分类1 9 3 2 计算流体力学数值模拟2 1 3 2 1 控制方程2 l 3 2 2 模型选取2 2 3 2 3 求解方法2 3 第四章垂直提升管内的气泡运动数值模拟2 5 4 1 不同加热功率下不同管径的气泡形成运动的数值模拟2 5 4 1 1 垂直提升管中工质为水的数值模拟2 5 4 1 2 垂直提升管中工质为溴化锂溶液的数值模拟3 0 4 2 同一管径在相同的加热功率，不同的压力情况下的数值模拟3 5 4 2 1 管内工质为水，管径为9 5 m m ，加热功率为7 7 9 w 在不同压力下的 数值模拟3 5 4 2 2 管内工质为溴化锂溶液，管径为9 5 m m ，加热功率为7 7 9 w 在不同压 力下的数值模拟3 8 目录 4 3 本章小结4 0 第五章气泡泵简化模型及压力特性模型的数值模拟4 1 5 1 不同加热功率下的气泡泵简化模型的数值模拟4 1 5 1 1 简化模型中工质为水的数值模拟4 1 5 1 2 简化模型中工质为溴化锂溶液的数值模拟4 5 5 2 气泡泵压力特性模型的数值模拟4 9 5 2 1 气泡泵的压力特性分析5 0 5 2 2 气泡泵连接管路的压力特性分析5 0 5 2 3 气泡泵加热段的压力特性分析5 l 5 2 4 气泡泵绝热段的压力特性分析5 2 5 2 5 模拟结果5 2 5 3 模拟结果与实验结果的比较5 7 5 4 本章小结5 8 结论与展望5 9 参考文献6 0 致谢“ l 0 直管型气泡泵气泡成形及工作特性的数值模拟 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 2 l 世纪是能源竞争异常激烈的世纪，随着人类掠夺式的开采能源，能源已经 逐步成为制约各国经济发展的瓶颈，这一点在我国更加明显，我国人口众多，人 均能源资源占有量少、国内保障程度低，从长远和总量上看能源供给不足是我国 的基本国情【1 1 。在能源问题逐步成为各个国家和地区考虑的重中之重的同时，过 去2 0 0 年工业化进程所带来的环境污染问题也成为了影响经济发展和人类生活的 重要因素。不可再生能源的逐步减少以及环境问题的日益严重都要求我们必须要 考虑开发有效的可再生能源同时要节约现有的能源。 制冷空调系统在过去很长的一段时间内使用的都是氟利昂类的制冷剂，这类 制冷剂会产生氯氟烃c f c 及h c f c 类物质【2 】，这两类物质会逸散到平流层破坏臭 氧层分子，使得能够保护人类免受紫外线照射的臭氧层遭到破坏，造成臭氧空洞， 导致全球变暖，带来的后果会造成巨大的财产损失。 能源与环境问题的日益加剧，使得对制冷空调系统的节能要求和对环境的无 害化要求越来越高，不仅要提高制冷空调系统的能源利用效率，提高整个系统装 置的c o p ，同时要利用大量低品位热源。 在大力倡导节能与环保的今天，以工业废气、废热、余热或者太阳能为驱动 能源的溴化锂吸收式制冷系统【3 1 ，因其耗电少、振动小、噪声低，安装操作简便， 不使用对臭氧层有破坏作用的氯氟烃化物而称为制冷空调领域研究的热点之一。 常规的溴化锂吸收式制冷系统虽然利用的是低品位热源，但是在运行过程中需要 机械泵来实现吸收器与发生器之间溶液的循环，而机械泵的运转则需要高品位的 电能，因此常规的的溴化锂吸收式制冷还依赖于高品位电能的使用。同时，由于 系统工质的腐蚀性，机械泵经常出现故障，而这是常规溴化锂吸收式制冷不能连 续正常运行的重要原因。而在此常规溴化锂吸收式制冷系统基础上的无泵溴化锂 吸收式制冷机更是直接采用气泡泵代替机械泵【4 】，不仅能够大大减少对高品位电 能的消耗，而且不会受工质的腐蚀性影响，提高整个制冷系统的可靠性。 第一章绪论 1 2 气泡泵的发展历史和研究现状 作为无泵溴化锂吸收式制冷系统的核心部件气泡泵，其性能的好坏直接 决定了整个装置的运行效率。国内外学者对气泡泵的综合性能以及各个参数之间 的优化都做了大量的研究工作。国内学者主要集中在以溴化锂和水为工质和以氨 水为工质的气泡泵研究。 1 9 8 9 年，彭- - ) l l 、肖泽强等人【5 】搭建了如图1 1 所示的试验台进行了气泡泵 参数实验，并根据尼克林理论推算得出了如下的气泡泵的性能计算公式： 鲁= 卜半+ o 3 5 ( g d ) l 坨 彳 l 4 7 i 氮气瓶筒 图1 1 气泡泵实验装置示意图 f i g 1 1t h es c h e m m i cd i a g r a mo fb u b b l ep u m pe x p e r i m e n t a ld e v i c e 一l t 直管型气泡泵气泡成形及工作特性的数值模拟 a f _ 一1 a 图1 2 弦月形通道的横截面示意图 f i g 1 2t h ec r o s s - s e c t i o nd i a g r a mo fc r e s c e n t - t y p ec h a n n e l 弦月形狭缝通道的尖角利于促进气泡的形成，加上内外管壁同时受热，使得管内 工质在很小的壁面加热量的情况下都可以产生气泡，大大提高了气泡泵提升溶液 的效率，图1 3 为弦月型气泡泵中的气泡流型图。李跃智、吴裕远等人【8 】对管内 流动沸腾形式的溶液提升器进行了实验研究，实验表明相比较溶液管间大空间沸 腾型式，管内流动沸腾型式的气泡成长速度和提升量都要高很多。刘振全、吴玉 莹等人应用气液两相流分相模型的压降理论，对无泵溴化锂吸收式制冷系统在静 止状态与制冷工作循环状态下的气泡泵的压力特性进行了比较详细的分析【9 】，得 出了相关的数学模型，对气泡泵的结构设计具有理论上的指导意义。王汝金、刘 道平等人提出了e i n s t e i n 循环制冷机中气泡泵尺寸参数的理论计算方法【1 0 ，通过 对典型算例的计算推出了当提升效率一定时，若气泡泵设计内径小于某一临界内 径时，需要的沉浸比随外部加热量的增大而增大；当设计内径小于临界值时，沉浸 比基本不受外部加热量的影响；当外部加热量一定时，需要的沉浸比随着提升管内 径的增加而减小，e i n s t e i n 循环可以充分利用余热、太阳能等低品位能源作为装 3 第一章绪论 图1 3 弦月型气泡泵中的气泡流型 f i g 1 3f l o wp a t t e r n s b o i l i n gr e g i m e sa l o n gac r e s c e n t - t y p eb u b b l ep u m p 置的驱动力，具有一定的应用前景。阙熊才、李红等人对无泵溴化锂制冷系统中 的热虹吸泵在绝热弹状流工况下的提升性能做了研究【l l 】，研究揭示了浓溶液提升 高度、稀溶液浸没高度、气泡泵管内径等一些重要参数与溴化锂水溶液参数，流 动参数之间的内在关系，求出了维持气泡泵正常循环工作必须具备的加热量范围， 为该类型气泡泵的设计和运行提供了依据。 国外学者对气泡的研究起步较早，1 9 7 1 年s t i e r l i n 设计了一种3 x b o i l e r 的发 生器，据其报告可以将系统的c o p 提高近5 0 。s t a i c o v i c i l l 2 】通过图1 4 所示的气 泡发生机构从传热，物化性等方面研究了压力，温度等变量对气泡成形的影响。 c h e l a 等 1 3 1 通过对d a r 原型机的能量分析发现，精馏器的精馏热损失是造成系统性 能指标下降的重要因素之一，为利用精馏热而设计出一种新的气泡泵，试验结果表 明可以大大的提高c o p 。w h i t e 等【1 4 】在爱因斯坦制冷循环的基础上对影响气泡泵 性能的参数做了实验研究。k o y f m a n 和j e l i n e k 等人【1 5 】设计了使用二甲基乙酰胺 和r 2 2 为工质的气泡泵实验装置，实验运行过程中能够用2 0 0 w 的热量输入获得 近7 0 w 的制冷量。 4 图1 4 气泡发生机构装置 f i g 1 4b u b b l eg e n e r a t o rs c h e m e s a r a v a n a n 和m a i y a 16 】利用图1 5 所示实验装置对溴化锂吸收式制冷中气泡泵 的性能做了比较系统的研究。k i m 和h e r o l d 等人【1 7 】设计了一种能够利用系统中的 废热来提高效率的新型气泡泵。s r i k h i r i n 和a p h o m r a t a n a 等人【1 8 】对气泡泵的结构 形式与热交换器换热面积的良性配合进行了一系列研究，使其能够更好的满足浓 溶液的流量要求。m a r c u s 和s a r a v a n a n 等【1 9 1 分析了气液混合物成滞留状态时最利 于溶液的提升，同时测试了气泡泵的直径、驱动压头等和气泡泵提升高度之间的 关系。 气泡 蒸发器 收器 图1 5 气泡泵实验装置示意图 f i g 1 5t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f b u b b l ep u m pe x p e r i m e n t a ld e v i c e 5 第一章绪论 1 3 气泡泵中气泡生成运动情况的数值模拟的发展现状 气泡泵中气泡的形成运动决定着气泡泵工作性能的好坏，所以研究气泡的形 态、运动等情况对于提高气泡泵性能就显得尤为重要。气泡运动属于典型的气液 两相流，目前比较常用的气液两相流数值模拟方法主要有计算流体力学( c f d ) ， 格子b o l t z m a n n 方法等。罗洪斌、李根生等人【2 0 】运用势流理论建立了垂直上升圆 管塞流中气泡或t a y l o r 泡运动的简化模型，提出了气泡上升速度f r o u d e 数的计算。 公式，研究结果表明，当e o t v o s 数小于1 0 0 时，表明张力对气泡的上升速度有非 常明显的影响，而当e o t v o s 数大于1 0 0 时，气泡的上升速度受表明张力的影响很， 小。王晓东、张孜博、屠基元【2 1 】对垂直管中气泡在等温条件下进行了总体平衡建 模，提出了一种平均气泡数密度( a 骱d ) 方法，实验结果表明a b n d 方法对气 泡流动建模有很好的适用性。徐炯、王彤、杨波等人瞄】对静止水中的气泡的成形 和运动进行了分析，得到了稳定状态下单个气泡的不同运动特性。刘建朝、杨润 全等【冽人利用f l u e n t 中的模型配合多相流模型对气泡发生器进行了三维模拟，得 到了气液两相的压力、速度分布规律。吴锤结、张淑君f 2 4 】采用v o f 中的p l i c 方 法模拟研究了三维气泡的上升过程及其对周围流场的扰动，重点分析考察了大量 气泡上升过程中的动力学特性，伴随着随机的碰撞与融合现象，气泡分布经历了 由规则到扇形体再到随机的过程。赵学辉、刘春江、吕晓龙【2 5 】针对粘性液体中锐 孔生成气泡过程进行分析研究，建立了求解气泡直径的理论模型并对气泡生成过 程进行了模拟，研究表明，在一定物性条件下，孔速和锐孔直径是影响气泡生成 p 的关键因素。付攀、王路【2 6 】从受力分析的角度，对气泡运动方程进行了推导，并 对微小气泡进行了仿真计算，结果表明，当考虑气泡上浮的加速过程时，气泡上 ， 浮速度明显小于未考虑加速过程时的值，其变化范围为5 一- 1 0 。黄奥、汪厚植 等人【2 7 】采用v o f 模型模拟气泡在钢液中的运动过程，根据计算结果研究气泡的 运动特性，结果表明，气泡外形由初始的球形变为心形，而后逐渐变为椭球帽形， 不同气量所产生气泡的直径不同。毛在砂【2 8 】采用数值模拟方法模拟了气泡群中 r e y n o l d s 数为5 0 的气泡的运动，以单元胞模型体现气泡群中气泡间的相互作用。 6 结果表明， 潜流模型对气泡动力特性进行了模拟研究，模拟结果与r p 模型和实验结果能够 很好的吻合。张淑君等【3 0 】利用v o f 模型中的界面重构方法对不同放置方式中气 泡之间的相互作用进行了研究，结果表明当气泡之间的距离较小时，气泡的上升 速度要比单个放置上升速度慢。武博、郝宗睿等【3 l 】人利用v o f 方法对水中的单 气泡和水平并列气泡进行了数值模拟，模拟结果和实验能很好的吻合，为气泡运 动的模拟提供了一种可行的模拟方法。刘胜、杨成渝等人【3 2 】对水中气泡进行了受 力分析，建立了相关微分方程，结果表明气泡加速阶段与直径有关，上升的最终 速度与直径也相关但是与水深无关。焦焱【3 3 】利用格子b o l t z m a n n 方法的z s c 模 型对气泡在静止液体中的聚集以及运动情况进行了模拟。d i n h , n o u r g a l i e v 和 s e h g a l 等人【3 4 1 1 3 习利用格子b o l t z m a n n 方法中的d 2 q 9 模型对气泡的成形、运动、 聚合、分离等各个形态进行了数值模拟，结果与预期能够较好的符合，为研究气 液两相流提供了一种可行的模拟方法。 1 4 本文主要工作 ( 1 ) 对垂直提升管简单模型中的气泡形成运动情况进行了数值模拟。 ( 2 ) 对气泡泵简化模型中的气泡形成运动情况进行了模拟。 ( 3 ) 基于气泡泵压力特性数学模型的气泡泵参数的数值模拟。 7 第二章气液两相流理论以及气泡泵理论 第二章气液两相流理论以及气泡泵理论 2 1 气液两相流的基本理论 2 1 1 气液两相流动的基本概述 气液两相流动是四种两相流动 3 6 1 ( 气液、气固、液液、和液固) 中最复杂的 流动，因为它们与可变形的界面及一个相具有可压缩性相关。气液两相流动在工 程和自然界中广泛可见，例如大容器内的沸腾，管内沸腾在搅拌容器内的气泡与 液体的相互作用，电介效应，空气升力泵装置，大气和雨滴的相互作用，热水喷 入空气中的冷却、冷却塔、凝聚塔，液滴燃烧的蒸发、雾化，燃烧，深冷液体的 输送，蒸汽爆炸等。 在气液两相流动过程中，两个相之间存在界面【3 7 】。界面有多种多样的形状， 但一般来说，表面张力的作用有助于产生弯曲的界面，导致成球形。在连续相中 夹带的不连续相愈大，则与球形相差愈远。两相流动型式就是气( 汽) 液两相流 动中两相介质的分布状况。长期以来，人们在生活中已经体验发现，汽液两相介 质共存时可以有各种不同的存在情况，有气体以细微的气泡形式均匀充满液体中 的沫状情况，有以巨大气泡形式存在于液体中的情况，还有液体以细小液滴分散 在气体中的雾状情况等等。这些都属于不同的流动型式。在这些不同的流动型式 情况下，两相流的流体力学特性是不同的。所以，为了研究两相流体的运动规律， 必须要弄清楚两相混合物是怎样运动的，即弄清气流动型式。影响两相流动型式 的因素很多，例如压力、速度、含气率、运动方向、流道几何形状等。流动型式 的研究是两相流研究的基础。从工程应用的角度看，研究流型的意义在于确定流 体的换热特性和压降特性。因为两相流的换热特性和压降特性与其流动型式密切 相关。流型的变化对换热机理有明显的影响。当液体湿润加热表面，并且壁温稍 超过液体的饱和温度时，壁面下就会产生泡核沸腾，泡核沸腾的放热系数高。当 从泡核沸腾过渡到膜态沸腾时，放热系数急剧下降，这个过程中流型发生了变化， 从而使换热机理发生了变化。 8 直管型气泡泵气泡成形及工作特性的数值模拟 2 1 2 气液两相流的各种流动型式 ( 1 ) 垂直上升不加热管中的流动型式，如图2 1 所示： a ：泡状流 圜 d 芦o o f o o o 。蛰暑 ；。9 _ c ：乳沫状流d ：环状流 图2 1 垂直上升不加热管中的流型 f i g 2 1t h ef l o wp a t t e r n so f v e r t i c a lp i p ew i t h o u th e a t i n g a 泡状流这种流型的主要特征是气相不连续，即气相以小气泡形式不连续地 分布在连续的液体流中。泡状流的气泡大多数是圆球形的，在管子中部气泡的密 度较大。在泡状流刚形成是，气泡很小，而在泡状流的末端气泡可能较大，这种 流动型式主要出现在低含气率区。 b 弹状流这种流型的特征是大的气泡和大的液体块相间出现。气泡与壁面被 液膜隔开，气泡的长度变化相当大，而且在流动着的大气泡尾部常常出现许多小 气泡。由于液体块和气泡互相尾随着出现，造成了流道内很大的密度差和流体的 可压缩性，所以，在这种流动下，容易出现流动不稳定性，即流量随时间发生变 化。 弹状流的形成是由于小气泡的聚结长大而产生的，大气弹的直径接近管径。 这种流型出现在中等截面含气率和相对低的流速情况下。也可以认为，这种流型 出现在泡状流和环状流的过渡区。随着系统压力的升高，液体表面张力减少，不 能形成大气泡，因而，弹状流存在的范围较小，当压力在1 0 m p a 以上的情况下， 观察不到弹状流动。 c 乳沫状流( 也称搅混流) 当管道中气相介质比上述情况再增加时，弹状流 9 d一小，i)o口 ( ；。 o b 。o o q qo。 第二章气液两相流理论以及气泡泵理论 型式遭到破坏，形成了乳沫状流。乳沫状流是由于大气泡破裂所形成的，破裂后 的气泡形状很不规则，有许多小气泡掺杂在液流中。这种流动的特征是振荡型的， 液相在通道中交替地上下运动，像煮沸的乳液一样。一般来说，这也是一种过渡 流型，在有些情况下，可能观察不到这种流型。 d 环状流当气相含量比乳沫状流还高时，搅混现象逐渐消失，块状液流被 击碎，形成气相轴心，从而产生了环状流。环状流的特征是液相沿管壁周围连续 流动，中心则是连续的气体流。在液膜和气相核心流之间，存在着一个波动的交 界面。由于波的作用可能造成液膜的破裂，使液滴进入气相核心流中；气相核心 流中的液滴在一定的条件下也能返回到壁面的液膜中来。 ( 2 ) 垂直上升加热管中的流动型式： 两相流体在垂直上升加热管中的流动型式与混合物的产生方式有关。加热与 不加热管道沿管子截面径向流体的温度分布不同，这两种情况下两相流体之间的 热力平衡和流体动力平衡各不相同，因此两者的流型是有差别的。当欠热水在均 匀加热的垂直管中向上流动时【3 引，流动型式如图2 2 所示。从图中可以看出，进 入管道的欠热水在向上流动过程中不断被加热，当接近饱和温度时，虽然水的主 流部分尚未达到饱和温度，但是，由于存在着径向温度分布，当管壁温度超过饱 和温度时，在壁面上会产生气泡，这种现象称为欠热沸腾，欠热沸腾的程度与表 面热流密度q 有很大关系。水继续向上流动，当主流达到相应压力下的饱和温度 时，就会产生容积沸腾或称饱和沸腾。起初的含气量较少，只会形成小气泡，此 时属于泡状流。这种汽水混合物在向上流动的过程中继续被加热，含汽量不断增 加，小气泡合并成大气弹，占据管道中心部分即呈弹状流动。当两相继续向上流 动，含汽量进一步增加，大气弹连在一起形成一个气注。这时仅仅在管壁四周有 一层环状水膜流动，这种情况就是环状流。当中心的汽流速度较高时，会从四周 的水膜表面携带出许多细小的水滴随气体一起流动，这种流动称为有携带的环状 流。在环状流动的大部分范围内，管壁热量通过水膜传递到汽水交界面上，在该 界面上水不断蒸发，这时壁面不再生成气泡，这种现象称为核化受到抑制。与之 1 0 直管型气泡泵气泡成形及工作特性的数值模拟 图2 2 垂直上升加热管中的流动型式 f i g 2 2t h ef l o wp a t t e r n so f t e d g ew i t hh e a t i n g 相应的换热方式称为两相强制对流换热。由于水膜不断蒸发以及携带的结果，使 得沿着流动方向水膜越来越薄，最后壁面上的水膜完全消失，出现干涸现象。此 时水全部变为小水滴弥散在蒸汽中，这种情况称为雾状流。在这种情况下壁面同 蒸汽直接接触，换热大大恶化，壁面温度急剧上升，放热系数大幅度下降。在此 区中未蒸发完的水滴受到加热继续蒸发，而此时蒸汽开始过热，这一区称为欠液 区。最后蒸汽中的水滴全部蒸发，流动进入了气体单相流区。如图2 2 所示。 ( 3 ) 垂直下降管中的气液两相流流型及其流型图 在垂直管中气液两相流一起向下流动时的流型示于图2 3 所示，这些流型是 从空气水混合物的试验中得出的【3 9 】。在气液相作用下降流动时的泡状流型和上升 流动时的泡状流型不同。前者的气泡集中在管子核心部分，而后者则散布在整个 管子截面上。如果液相流量不变而使气相流量增大，则气泡将聚集成气弹。下降 流动时的弹状流型比上升流动时稳定。下降流动时的环状流动有几种流型，在 第二章气液两相流理论以及气泡泵理论 q 0 。 o 。 0o 。 o 三： o q 口q 6 1 ) 泡状流2 ) 弹状流3 ) 下降液膜流4 ) 液膜流5 ) 块状流6 ) 雾式环状流 图2 3 垂直下降管中的气液两相流流型 f i g 2 3t h e f l o wp a t t e r no fv e r t i c a lt u b e 气相及液相流量很小时，有一层液膜沿管壁下流，核心部分为气相，这称为下降 液膜流型；当液相流量增大，气相将进入液膜，这称为带气泡的下降液膜流型； 当气液两相流量都增大时，会出现块状流型；在气相流量较高时，能发展为核心 部分为雾状流动，壁面有液膜的雾式环状流型。图2 3 表示了下降流动的气液两 相流流型图。图中的1 、2 、3 、4 、5 、6 分别代表图中各相应的流型。 ( 4 ) 水平不加热管中的流动型式 水平流动与垂直流动的流型是不一样的。这主要是由于重力的影响使液体趋 向管道底部流动，而气体则由于浮力的作用趋向于在管子的顶部流动，这样就造 一 成了流动的不对称性，是流动型式复杂化了。图2 4 所示为水平管不加热情况的 流型。【4 。 乱细泡状流型 1 2 b 气塞状流 b仆u历 l 。 o 。 。rjl弋 o 。 l ， ， d 勺，0 (沁矗 直管型气泡泵气泡成形及工作特性的数值模拟 c 分层流型 d 波状分层流 e 气弹状流型环状流型 图2 4 水平不加热管的流动型式 f i g 2 4t h ef l o wp a t t e r no f h o r i z o n t a lp i p ew i t h o u th e a t i n g 乱细泡状流型这种流型与垂直流动的泡状流相似，只是气泡趋向于在管道上 部流动，而在通道的下部液体多气体少。气泡的分布与流体的流动速度有很大关 系，流速越低，气泡的分布越不均匀。 b 气塞状流型当泡状流中的气泡进一步增加，气泡聚结长大而形成大气塞。 这种塞状气泡一般都比较长，有点相似于垂直流动中的弹状流，在大气塞的后面， 还会出现一些小气泡。 c 分成流型这种流型出现在液相和气相的流速都比较低的情况下，是重力分 离效应的极端情况。这时气相在通道的上部流动，液相在通道的下部流动，两者 之间有一个比较光滑的交界面。 d 波状分层流型当分层流动中气体的流速增加到足够高时，在气相和液相的 交界面上产生了一个扰动波。这个扰动波沿着流动方向传播，向波浪一样，所以 称为波状流。 c 气弹状流型如果气相速度比波状流的速度更高，这些波最终会碰到流道的 顶部表面而形成气弹，所以称为弹状流。此时，许多大的气弹在通道上部高速度 运动，而底部则是波状液流的底层。 f 环状流型这种流型与垂直流动的环状流很相似，气相在通道中心流动， 而液相贴在通道的四壁上流动。然而，由于重力的影响，周向液膜厚度不均匀， 1 3 第二章气液两相流理论以及气泡泵理论 管道底部的液膜比顶部厚。这种流型出现在气相流速比较高的区域里，当壁面较 粗糙时，液膜还可能不连续。 ( 5 ) 水平加热管中的流动型式 与垂直加热管一样，在加热的水平管中，也受到热动态平衡和流体动态平衡 变化的影响，只是在水平管中由于不对称性和分层使流动型式的变化更复杂了。 图2 5 所示为低热流密度下，均匀加热，入口为欠热水的水平蒸发管的流动 单 图2 5 水平加热蒸发管中的流动型式 f i g 2 5t h ef l o wp a t t e r no fh o r i z o n t a lp i p ew i t hh e a t i n g 型式。图中的各流动型式对应于入口速度较低的情况，当入口速度较高时，两相 分布接近对称，流型接近于垂直管的流动型式。 在水平管加热中，波状流动区域里可能在通道上部壁面出现相间的干涸现象， 这种干涸是不稳定的。当达到环状流动区域时，壁面上就会出现真正的干涸，此 时不仅管道的上部出现干涸，管道四周的壁面都会出现干涸。 2 2 气泡泵相关理论 2 2 1 气泡泵的工作原理 无泵溴化锂吸收式制冷系统中使用的气泡泵是连接在发生器和汽液分离器 之间的垂直提升管，运行原理如图2 6 所示。在气泡泵底部外接的加热装置或 者是内部加热装置产生足够的热流密度，用以蒸发出泵管内的水并形成气泡，气 泡在提升圆管内上升并推动液体流向高位贮液器。同时，处于较低位置的发生器 内的液体由于压差不断的压入气泡泵垂直提升管路，补充其中被提升的液体。 1 4 直管型气泡泵气泡成形及工作特性的数值模拟 图2 6 气泡泵工作原理示意图 f i g 2 6t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eb u b b l ep u m pw o r k i n gp r o g r e s s 2 2 影响气泡泵提升效率的参数 影响气泡泵提升效率的参数主要包括：浸没高度、垂直提升管的内径和外部 加热功率。 2 2 3 气泡泵提升液体过程中气泡的运动形态 气泡泵的机理就是通过加热或者吹喷气体的方式产生气泡来提升液体，除去 提升管直径、加热功率、沉浸比等外部参数对提升性能的影响外，液体流动中气 泡的运动形态对气泡泵的提升效率也有很大的影响。 在重力作用下气泡的上升运动是气液两相流中最普遍的运动形式，粘性流体 中在重力作用下的气泡上升一般分为三种不同的运动形式：a 球形；b 椭球型；c 球冠形。这三种运动形态取决于两个重要的无量纲参数b o 和m o 4 5 】： b o ：g a , d 0 2 矿 ( 2 1 ) m o - - - - g h 百p 下r l _ 4 仃岛 ( 2 2 ) 第二章气液两相流理论以及气泡泵理论 其中d 。是气泡直径，岛是液体密度，r i 是液体粘度，p 是离散液体和连续 液体的密度差，g 是重力加速度，是盯液体表面张力。 b o 是体积力( 有效的重力值) 和表面张力之间的比值，它也可被看做是气泡 的无量纲体积值。m o 描述的是气泡周围液体的性质，主要考虑液体粘度和表面 张力。通过利用这些无量纲参数，单个气泡的运动形态便可被推测得出。c l i f te t8 1 编制了一张表格来描述在低密度率的液体中上升气泡最终的速度以及形状，如图 2 7 所示m 。 罢 童 罢 量 b o n d 嚣嘲囊h 薯，驺 图2 7 气泡形状结构示意图 ， f i g 2 7b u b b l es h a p er e g i m em a p 表格中涉及到了b o ，m o 以及雷诺数i k ，雷诺数的定义如下： r e = = p l u , d o 研 ( 2 3 ) 1 6 直管型气泡泵气泡成形及工作特性的数值模拟 式中u 是气泡的最终运动速度，即气泡在浮力和拖曳理之间达到平衡状态时 的稳定速度。一般气泡的分类考虑的参数是气泡的最终形态或者是整个系统的主 要作用力。以下是关于三种气泡形态的简单介绍： ( 1 ) 球形气泡( s p h e r i c a l ) ：这种形态主要取决于液体表面张力和粘滞 力。气泡的初始尺寸非常小，通常小于1 3 r a m 。气泡会一直保持球形或者接近于 球形，通常最小和最大比例通常小于1 0 。在这种气泡形态时，最终速度的大小 与气泡的尺寸是成比例的。对于单一物质系统而言，h a d a m a r d t 4 7 】和r y b c z y s k i 4 8 1 用下面的公式描述了气泡最终的上升速度： u = 警黼 弦4 ， 式中墨= 研为黏度比。 ( 2 ) 椭球形气泡( e l l i p s o i d a l ) ：这种形态主要取决于液体的表面张力。 气泡的尺寸分布于1 3 m m 到6 m m ，同时b o 的值从o 2 5 到4 0 。如果从里面看的 话，气泡的最终形状会是一个带着凸边的扁圆体结构。一般来说，此时气泡的形 态一般不会出现纵向对称。在这种气泡形态下，在内循环过程中几乎没有粘滞阻 力，所以其牵引速度和最终的气泡速度对于杂质的干扰是非常敏感的。基于波动 论，m e n d e l s o n t 4 9 】提出了利用下面的公式来计算在纯单质系统中气泡的最终速度： u = ( 2 5 ) ( 3 ) 球冠形气泡( s p h e r c a lc a p ) ：这种形态的气泡主要决定于惯性力。 气泡的尺寸都比较大，通常气泡