（热能工程专业论文）气液两相绕流旋涡脱落特性的实验与数值研究.pdf

月， 麓：“一 e x p e r i m e n t a ia n dn u m e r i c a iii i n v e s t i g a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i co f v o r t e xs h e d d i n go ng a s - - l i q u i d t p h z c r o s sf l o w w o - p h a s er o s s0 wi d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y i n t h e r m a le n g i n e e r i n g b y h o n gw e n p e n g s u p e r v i s e db y p r o f z h o uy u n l o n g s c h o o lo fe n e r g y , p o w e ra n dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a y 2 0 1 0 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文气液两相绕流旋涡脱落特性的实 验与数值研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论 文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 特此声明。 签名：) 型庭塑咯日期：塑! ! ! 笪7 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：曼丝选翌雪 日 期：迎! 芝! ! ! l z 华北电力大学博士学位论文 中文摘要 在动力工程、石油化工、核能利用等领域广泛存在着气液两相流体绕流柱体的 流动现象，在一定流动条件下气液两相流在柱体后部形成交替脱落的旋涡，并诱发 柱体受到交变力的作用，由此产生的损伤不仅威胁到设备运行的安全，而且会大大 缩短工业设备的使用寿命。为了更深入了解气液两相流与柱体相互作用的机理，揭 示气液两相旋涡的形成和演化特性，给工业设备的优化设计和安全运行提供科学可 靠的依据，本文在国家自然科学基金项目( n o 5 0 6 7 6 0 1 7 ) 和教育部科学技术研究重 点项目( n o 2 0 6 0 3 7 ) 资助下，对垂直上升矩形管道内气液两相流绕圆柱体、旋转正 方形排列管束的旋涡脱落特性进行了实验研究和数值模拟。具体内容为： ( 1 ) 搭建了气液两相绕流试验台，两相流介质采用常温清水和压缩空气。可 以在垂直上升的矩型截面实验段内研究细泡状流绕圆柱和管束流动的各种动态特 性。设计了一个可连续多角度测量的圆柱表面压力测量装置，实现单个传感器在相 同工况下的多点压力测量，并建立了一套用于测量圆柱表面脉动压力和旋涡脱落频 率的动态数据采集与分析系统。为研究错列管束间气液两相流场的旋涡形成和演化 特性，建立了一套高速动态图像采集与分析系统，实验使用分辨率为7 6 8 x 5 1 2 像素， 拍摄速度为1 0 0 0 f p s 。 ( 2 ) 实验测量了气液两相流绕直径3 5 m m 圆柱时不同含气率和雷诺数下圆柱 表面的脉动压力、时均压力分布规律。实验结果表明：含气率对圆柱表面时均压力 系数和脉动压力系数均有较大影响，随着含气率增大，时均压力系数的最小值逐渐 减小，而脉动压力系数的峰值逐渐减小，背压逐渐增大，旋涡脱落位置不断后移； 在本文实验范围内，雷诺数对脉动压力、时均压力影响很小。同时，利用旋涡脱落 必然引起圆柱体两侧的压差变化的原理，测量了动态压差波动信号，采用功率谱分 析方法得到了旋涡脱落频率，并分析了含气率和雷诺数对功率谱的影响。结果表明： 随含气率增加旋涡脱落频率增大，功率谱能量减弱，当含气率大于0 1 时，旋涡交 替脱落现象消失。 ( 3 ) 采用高速动态图像处理方法研究了错列管束间两相旋涡的演化特性。通 过动态图像重建了管束间旋涡的生成、卷吸、聚合的演化过程，定性分析了旋涡演 化机理，运用图像相关性比较和统计方法分析了旋涡脱落的周期特征。分析表明： 随节距比增大，斯特罗哈数是增大的，而斯特罗哈数随含气率的增大而减小，当含 气率大于0 1 4 时，不存在周期性旋涡脱落现象；随雷诺数增大旋涡脱落频率增加。 中文摘要 ( 4 ) 采用气液两相双流体模型，对不同节距比错列管束气液两相绕流的非稳 态流动过程进行了数值模拟，得到了瞬态流场的流谱图及涡量和含气率分布，结果 显示：上游圆柱没有发生旋涡分离，自由剪切层对下游圆柱形成包裹，旋涡对气泡 形成卷吸，使含气率与涡量具有相同的分布特性。着重分析了节距比、含气率和雷 诺数对旋涡脱落特性和管束脉动升力与时均阻力的影响，分析表明：不同节距比时 下游圆柱的脉动升力系数最大，而时均阻力系数最大值均出现在中间管排上；存在 一个临界节距比( s a ) 。，使脉动升力和时均阻力系数最小；小截面含气率( 口= 0 0 3 、 o 1 2 ) 时，升力系数c ，随雷诺数增加而减小，大截面含气率( 口= 0 2 、o 3 ) 时，升 力系数c ，随雷诺数增加而增大；各排管的时均阻力系数随含气率增加而减小。 关键词：气液两相绕流，错列管束，实验研究，数值模拟，旋涡脱落，升力，阻力 a b s t r a c t t h ep e r i p h e r a lf l o wo fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l u i de x i s t si nav a r i e t yo fi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s ，e g t h ep o w e re n g i n e e r i n g ，p e t r o l e u mc h e m i c a li n d u s t r y ，n u c l e a rp o w e r u s e t h ea l t e r n a t i n gv o r t e xw i l ls h e df r o mt h ec y l i n d e ri nac e r t a i nf l o wc o n d i t i o n s ， w h i c hw i l ll e a dt h ec y l i n d e rv i b r a t i n gc a u s e db yt h ea l t e r n a t i n gf o r c ei n d u c e db yf l u i d ， a n dt h e nt h ed a m a g e sn o to n l yt h r e a t e nt h es a f e t yo fe q u i p m e n to p e r a t i o n ，b u ta l s o r e d u c et h es e r v i c el i f eo fi n d u s t r i a l e q u i p m e n tg r e a t l y i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h eg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o wa n dt h e c y l i n d e r ，r e v e a lt h e f o r m a t i o na n de v o l u t i o np r o p e r t i e s o ft h eg a s - l i q u i dt w o p h a s ev o r t e x ，a n dp r o v i d et h e s c i e n t i f i cb a s i sf o ri n d u s t r i a le q u i p m e n t so p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt h es a f e o p e r a t i o n ， b o t ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec o n d u c t e dt ot h ev o r t e x c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s l i q u i dt w o - p h a s ew h i c hs h e df r o mas i n g l e c y l i n d e ro rf r o m r o t a t i n g 。s t a g g e r e d c y l i n d e r si nav e r t i c a lr e c t a n g u l a rp i p e ，w h i c hi ss u b s i d i z e db yt h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o 5 0 6 7 6 017 ) a n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e yp r o j e c t o f t h em i n i s t r yo f e d u c a t i o n ( n o 2 0 6 0 3 7 ) t h ec o n t e n ti s ： ( 1 ) a g a s - l i q u i dt w o 。p h a s ef l o wt e s tb e dw e r eb u i l t w h i c ht h et w o p h a s em e d i u m i st h en o r m a lt e m p e r a t u r ew a t e ra n dt h ec o m p r e s s e da i rr e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c ho nt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h i nb u b b l yf l o wa r o u n dac y l i n d e ro rc y l i n d e rb u n d l e s m a yb ec a r r i e do u ti nt h ev e r t i c a la s c e n tt e s tb e dw i t har e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n a m e a s u r i n gd e v i c ew a sd e s i g n e dw h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r ec o n t i n u o u s l yt h e c y l i n d r i c a l s u r f a c ep r e s s u r ei na m u l t i a n g l e ，a n dt h e nt h em u l t i p o i n tp r e s s u r e m e a s u r e m e n tb yas i n g l es e n s o ri nt h es a m ec o n d i t i o nw a sa c h i e v e d as e to f d y n a m i c d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mw a se s t a b l i s h e dt om e a s u r et h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e a n dv o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c ya r o u n dt h ec y l i n d e rs u r f a c e i no r d e rt o r e v e a l t h e f o r m a t i o na n de v o l u t i o np r o p e r t i e so ft h eg a s l i q u i d t w o - p h a s ev o r t e xa r o u n ds t a g g e r e d c y l i n d e rb u n d l e s ，as e to fh i g h - s p e e dd y n a m i ci m a g ea c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mw a s e s t a b l i s h e db yu s i n gt h er e s o l u t i o no f7 6 8x 512 p i x e l s ，s h o o t i n gs p e e do fl0 0 0 f p s ( 2 ) t h ed i s t r i b u t i o n so ft h ef l u c t u a t i o np r e s s u r ea n dt i m e a v e r a g e dp r e s s u r ew e t e m e a s u r e da r o u n dac y l i n d e r ，w i t ht h ed i a m e t e ro f3 5 m m ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so f d i f f e r e n ta i rv o i da n dr e y n o l d sn u m b e r ，w h e nt h eg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l u i d f l o w i n g c r o s si t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：b o t ht h e t i m e a v e r a g e dp r e s s u r ec o e f f i c i e n ta n d i i i a b a s t r a c t f l u c t u a t i n gp r e s s u r ec o e f f i c i e n to nt h ec y l i n d e rs u r f a c ea r ea f f e c t e dg r e a t l yb yt h ev o i d f r a c t i o n ，i n c r e a s i n gw i t ht h ev a l u eo f v o i df r a c t i o n ，t h em i n i m u mv a l u eo ft i m e - a v e r a g e d p r e s s u r ec o e f f i c i e n tr e d u c e sg r a d u a l l y ，w h i l et h ep e a kv a l u eo ff l u c t u a t i n gp r e s s u r e c o e f f i c i e n tr e d u c e sg r a d u a l l y ，t h eb a c kp r e s s u r ei n c r e a s e sg r a d u a l l y ，a n dt h ev o r t e x s h e d d i n gl o c a t i o nc o n s t a n t l ym o v e sb a c k w a r d ： i nt h ee x p e r i m e n t a lr a n g e ，r e y n o l d s n u m b e ra f f e c t s s l i g h t l y o n t h ef l u c t u a t i o n p r e s s u r e a n d t i m e a v e r a g e d p r e s s u r e m e a n w h i l e ， a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et h a tt h ev o r t e xs h e d d i n gs h o u l dc a u s e t h ep r e s s u r ed i f f e r e n to ne i t h e rs i d eo ft h ec y l i n d e r ，t h ed y n a m i cp r e s s u r ed i f f e r e n t i a l f l u c t u a t i o ns i g n a l sw e r em e a s u r e d t h ev o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yw a so b t a i n e db yu s i n g t h em e t h o do fp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i s ，a n di ti sa n a l y z e dh o wt h ep o w e rs p e c t r u mi s a f f e c t e db yt h ea i rv o i da n dr e y n o l d sn u m b e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i n c r e a s i n gw i t ht h e a i rv o i d ，t h ev o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e sa n dt h ep o w e rs p e c t r a le n e r g y d e c r e a s e s w h e nt h ea i rv o i di sh i g h e rt h a no 1 ，t h ep h e n o m e n o no fv o r t e xs h e d d i n g a l t e r n a t e l yd i s a p p e a r s ( 3 ) t h eh i g h s p e e dd y n a m i ci m a g ep r o c e s s i n gm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h e e v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t w o p h a s e v o r t e xa r o u n dt h e s t a g g e r e dc y l i n d e r b u n d l e s t h ee v o l u t i o np r o c e s so fv o r t e xg e n e r a t i o n ，e n t r a i n m e n ta n dp o l y m e r i z a t i o n a m o n gt h ec y l i n d e r sw a sr e c o n s t r u c t e db y t h ed y n a m i ci m a g e ，t h em e c h a n i s mo fv o r t e x e v o l u t i o nw a sa n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y ，a n dt h ep e r i o d i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fv o r t e x s h e d d i n gw e r ec o m p a r e db yt h ei m a g ec o r r e l a t i o na n dw e r ea n a l y z e db yt h e s t a t i s t i c a l m e t h o d t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a t ：s t r o u h a ln u m b e ri n c r e a s e sw i t ht h ep i t c hr a t i o i n c r e a s i n g ，w h i l ei td e c r e a s e sw i t ht h ea i rv o i di n c r e a s i n g ，w h e nt h ev a l u eo fa i rv o i di s h i g h e rt h a no 14 ，t h ep e r i o d i c a lv o r t e xs h e d d i n gp h e n o m e n o nv a n i s h e s ；i na d d i t i o n ， v o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e sw i t ht h er e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s i n g ( 4 ) a d o p t e d t h et w o f l u i dm o d e lf o rg a s - l i q u i dt w o p h a s e ，t h eu n s t e a d yf l o w i n g p r o c e s s e sw e r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e df o rt h et w o - p h a s ef l o w i n g c r o s st h es t a g g e r e d c y l i n d e rb u n d l e sw i t hd i f f e r e n tp i t c h d i a m e t e rr a t i o ，o b t a i n e ds p e c t r ao f t r a n s i e n tf l o w f i e l da n dv o r t e xf l o wa n dv o i df r a c t i o nd i s t r i b u t i o n ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ev o r t e x s e p a r a t i o nd o e sn o ta p p e a ra r o u n dt h eu p s t r e a mc y l i n d e r ，w h i l et h ed o w n s t r e a mc y l i n d e r i ss u r r o u n d e db yt h ef r e es h e a rl a y e r ，a n dt h eb u b b l ew a se n t r a i n e db yt h ev o r t e xs ot h a t t h ev o i df r a c t i o na n dt h ev o r t i c i t yh a v et h es a m ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i tw a s p r i m a r i l ya n a l y z e do nh o w t h ep i t c hr a t i o ，v o i df r a c t i o na n dr e y n o l d sn u m b e ra f f e c tt h e v o r t e xs h e d d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，f l u c t u a t i n gl i f ta n dt i m e - a v e r a g e dd r a ga r o u n dt h e i v 华北电力大学博士学位论文 b u n d l e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：i nt h ec a s eo fd i f f e r e n tp i t c hr a t i o , t h ef l u c t u a t i n gl i f i c o e f f i c i e n ta r o u n dt h ed o w n s t r e a mc y l i n d e ri st h el a r g e s t ，w h i l et h em a x i m u mv a l u eo f t h et i m e a v e r a g e dd r a gc o e f f i c i e n ti si nt h em i d d l eo fb u n d l e ；i nt h ee v e n to fc r i t i c a l p i t c hr a t i o ，( s d ) 。，t h e r ei st h em i n i m u mc o e f f i c i e n tv a l u eo fb o t hf l u c t u a t i n gl i f ta n d t i m e a v e r a g e dd r a g ；w h e nt h ef l o wi so f as m a l lv o i df r a c t i o n ，口= 0 0 3 、0 1 2 ，t h ei i f t c o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i t hr e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s i n g ，w h i l ea tal a r g ev o i df r a c t i o n ， 口2 0 2 、0 3 ，t h el i f tc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t hr e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s i n g ；t h e t i m e a v e r a g e dd r a gc o e f f i c i e n ta r o u n de a c hr o wo fc y l i n d e r sd e c r e a s e sw i t hv o i df r a c t i o n i n c r e a s i n g k e yw o r d s ：g a s l i q u i dt w o p h a s ec r o s sf l o w ，s t a g g e r e dc y l i n d e ra r r a y s ， e x p e r i m e n t a ls t u d y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，v o r t e xs h e d d i n g ，l i f tf o r c e ，d r a g f o r c e 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t ill 主要符号表ix 第一章引言1 1 1 研究背景及意义1 1 2 旋涡脱落概述2 1 2 1 旋涡脱落的形成过程2 1 2 2 旋涡脱落的形式3 1 2 3 旋涡脱落诱发流体作用力4 1 3 气液两相绕流研究进展5 1 3 1 气液两相绕流实验研究进展5 1 3 2 气液两相流数值模拟研究进展8 1 3 3 管束间气液两相流数值模拟研究进展1 0 1 4 本课题研究内容1o 第二章实验装置及测量方法一1 3 2 1 前言1 3 2 2 实验条件1 3 2 3 气液两相流实验装置1 4 2 3 1 实验系统1 4 2 3 2 单圆柱绕流试验段1 6 2 3 3 错列管束绕流试验段1 6 2 4 测量方法1 7 2 4 1 圆柱周向压力测量1 7 2 4 2 旋涡脱落频率测量2 0 2 4 3 两相流动态数据采集2 2 2 4 4 图像采集系统2 2 2 5 本章小结2 3 第三章气液两相流参数测量及处理方法2 4 3 1 前言2 4 v i 华北电力大学博士学位论文 3 1 气液两相流基本参数的测量2 4 3 2 气液两相流参数计算方法2 5 3 3 动态数据处理方法2 6 3 3 1 时均值、均方值及方差的计算2 6 3 3 2 时均压力系数和脉动压力系数的计算2 7 3 3 3 功率谱密度函数p s d 2 8 3 4 测量系统误差分析一2 9 3 4 1 试验台振动的分析2 9 3 4 2 仪器及测量方法误差：2 9 3 5 本章小结31 第四章单圆柱气液两相绕流实验研究3 2 4 1 前言3 2 4 2 圆柱表面时均压力分布特性3 2 4 2 1 雷诺数对时均压力的影响3 2 4 2 2 含气率对时均压力的影响3 4 4 3 圆柱表面脉动压力分布特性3 4 4 3 1 雷诺数对脉动压力的影响3 4 4 3 2 含气率对脉动压力的影响3 6 4 3 3 脉动压力的功率谱分析3 7 4 4 基于压差波动的旋涡脱落功率谱特性4 2 4 4 1 含气率对功率谱的影响4 3 4 4 2 雷诺数对功率谱的影响4 5 4 5 本章小结4 7 第五章错列管束绕流试验研究4 9 5 1 前言4 9 5 2 尾部流场旋涡脱落过程分析4 9 5 3 含气率与节距比对旋涡脱落的影响5 l 5 3 1 旋涡脱落频率分析51 5 3 2 两相s t r o u h al 数分析5 3 5 4 雷诺数对旋涡脱落特性的影响5 6 5 4 1 雷诺数对旋涡脱落频率的影响5 6 5 4 2 雷诺数对两相s t r o u ai 数的影响一5 7 v i i 目录 5 5 本章小结5 8 第六章气液两相流动模型和数值方法6 0 6 1 前言6 0 6 2 气液两相流动模型控制方程组6 0 6 3 气液两相流的相间作用力6 1 6 4 气液两相流湍流模型6 3 6 5 气液两相流数值计算方法6 6 6 5 1 控制方程组的通用表达式6 6 6 5 2 两相流场的压力修正方法6 7 6 5 3 非稳态问题的s im p l e 算法6 8 6 5 4 壁面函数法的改进6 8 6 5 5 计算区域和边界条件6 9 6 5 6 非均分网格的迎风格式7 0 6 5 7 网格无关性验证7 1 6 6 本章小结7 1 第七章绕错列管束的数值计算结果及分析一7 3 7 1 前言一7 3 7 2 瞬时流场特征及分析7 3 7 3 节距比对旋涡脱落特性的影响7 6 7 3 1 节距比对涡量分布的影响7 6 7 3 2 节距比对s t r o u h ai 数的影响7 7 7 3 3 节距比对升力和阻力的影响7 8 7 4 雷诺数和含气率对旋涡脱落的影响8 6 7 4 1 雷诺数对涡量分布的影响8 6 7 4 2 雷诺数与含气率对升力和阻力的影响8 7 7 5 本章小结9 1 第八章总结与展望9 3 8 1 本文工作总结9 3 8 2 进一步研究和展望9 4 参考文献9 6 致谢10 3 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文10 4 v 1 1 1 华北电力大学博士学位论文 口 8 s 矽 主要符号表 英文字母 管道流通面积，m 2 无量纲系数；经验常数 流体作用力，n 涡街脱离频率，h z ； 折算速度，m s 紊流脉动动能 涡街的同列涡中两相邻涡之间的距离，m 相间作用力，n 压力，p a 雷诺数 源项 斯特罗哈( s t r o u h a l ) 数 采样时间，s 时间，s 体积流量，t h 流体速度，m s 微元控制体体积，m 3 涡街发生体迎流面宽度，m 希腊字母 截面含气率 体积含气率 湍动能耗散率 任意参量 i x 么 c f 厂， 七 ， m p m s & r ， q “ y w 主要符号表 r y p f 扩散系数 动力粘度，k g ( m s ) 运动粘度，m 2 s 密度，k g m 3 应力张量 上、下标 临界值 阻力 气相 气液两相界面，坐标方向代号( f = l ，2 ) 坐标方向代号( ，= 1 ，2 ) k 相( k 相= g 或d 升力 液相 混合物 两相流 初始条件下 脉动值 时均值 x 仃d g ， ，七三， m乃d， 一 对绕流物体长期的脉动力作用，也会引起结构物体的疲劳损伤；而在来流方向上， 流动阻力的幅值也会受其影响而发生周期性的脉动，造成额外压力损失。这些都必 将严重影响到受流体绕流的工业设备的可靠性和使用寿命l l 儿2 。 流体横向流过物体的绕流现象在日常生活和工程实际中广泛存在。如风对各种 建筑物的绕流，河水流过桥墩，海洋石油工程中的开采平台、钻杆、水下输油管道 受到海水的绕流，风绕流高压输电线路等等。因流体绕流而导致工程设备损毁的事 故很多，如美国塔可马海峡悬索桥因风力所破坏【2 1 ；美国科罗拉多州大跨度天然气 管道在一定风速下出现振幅达1 5 1 8 m 的振动；电厂锅炉管式空气预热器、省煤 器管振动破坏事故等均属此例。其中，以换热器管束振动事故最多1 3 。6 j ，尤其是动力、 原子能工业的飞速发展，对换热器的综合性能提出了更为苛刻的要求。这类问题的 研究已经成为流体动力学基础研究和工程应用领域的一个重要研究课题。 以上论及的主要是单相流体绕流现象，气液两相流体横向绕流的流动工况也广 泛存在于许多工业设备中，如各种管壳式热交换器( 如冷凝器、蒸发器、反应堆蒸 汽发生器等) 均工作在两相流工况下【7 】【引，据美国从事换热器传热与流动服务h t f s ( h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o ws e r v i c e ) 的公司统计，5 0 以上的热交换器工作在两 相流条件下【l 】。随着工业技术的不断发展，各种工业设备的容量及尺寸越来越趋于 大型化，设备的流速增高，结构更加复杂。特别是2 0 世纪后半叶，原子能核电站 及航天工业的发展，动力工业及石化工业中大容量、高参数设备的引入，促使气液 两相流以及多相流领域研究的重要性更加突出。 近l o 年来，在存在相变的换热设备中频繁出现因气液两相流体横向冲刷管束 而诱发管子振动的事例。据文献报道，某压水堆核电站的一台蒸汽发生器的蒸发管 与管板连接处，因管外气液两相流体的绕流引起管子振动而造成连接处泄漏的事故 【9 1 。此外，在气液两相流测量中，当气液两相流体绕流插入式测量元件时也存在诱 第一章引言 发测量元件振动问题。这些工程实际问题促使人们对旋涡脱落诱发物体振动的研究 逐渐从单相流体流动向气液两相流动方向发展。掌握了气液两相绕流特性及其流动 规律能促使技术设备设计更合理、运行更安全，在节约能源消耗、提高设备可靠性 和有效利用水平方面起到重要的作用。 综上所述，开展气液两相绕流旋涡脱落特性方面的研究，不仅可以拓宽气液两 相流体动力学的研究领域，促进两相涡街演化机理的研究进展，还可以为工程设备 的优化设计、制造及可靠运行提供依据。 1 2 旋涡脱落概述 1 2 1 旋涡脱落的形成过程 当流体流过一非流线形物体时，在物体表面形成边界层，形成较大的压力梯度， 因剪切应力的作用使边界层脱离物体壁面并在尾部形成旋涡。 圆柱体是工业生产中接触较多的物体形式，因其对称性也会使问题简单化，早 期对于流体绕流物体的研究，都是从流体绕流一个圆柱体来研究其振动、压力等特 性的。当一个流体质点流近圆柱体的前缘时，流体质点的压力就从自由流动的压力 升高到滞止点的压力，靠近前缘的流体在高压作用下形成的边界层在圆柱体的两侧 逐渐发展。不过，在高尺p 数的情况下，由压力产生的力是不足以把边界层推到包 围住非流线形圆柱体的背面的【1 0 】。如图1 1 所示： ，( d i i 一，i 飞了。 图1 1 旋涡脱落时圆柱表面压力分布 在圆柱体最宽界面的附近，附面层从圆柱体表面的两侧脱开，并形成两个在流 动中间尾部拖曳的剪切层，这两个自由的剪切层形成了尾流的边界。因为自由剪切 层的最内层比与自由流相接处的最外层移动慢得多，于是这些自由剪切层就倾向于 对称不连续的打旋的旋涡。在尾流中就形成一个规则的旋涡流型。 2 华北电力大学博士学位论文 1 2 2 旋涡脱落的形式 对单相流体的绕流研究表明，光滑圆柱表面边界层分离现象和尾迹流动特性与 雷诺数r p 有很大的关系。对于不可压缩流体，随着r p 数的增加圆柱体绕流的变化 如图1 2 所示。 ( a ) ( c ) ( e ) r e 5无分离流动 5 1 5 、 r e 4 0 尾流中有一对稳定的旋涡 4 0 r e 1 5 0层流涡街 1 5 0 r e 3 0 0 旋涡内部向湍流过渡 3 1 0 5 r e 3 5 1 0 6边界层变为湍流 3 5 x1 0 6 r p湍流涡街重新建立 图1