（动力工程及工程热物理专业论文）矩形窄流道内气泡破裂及弹状流数值模拟.pdf

numerical simulation of bubble breakup and slug flow in rectangular narrow channel a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wen-zhi zhang supervised by prof. liang-ming pan major： power engineering and engineering thermophysics school of power engineering of chongqing university, chongqing,china may 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 船舶在运动过程中，难免遇到海风海浪的影响，使船体受到各种各样的摇摆 和倾斜作用的影响，从物理本质上来讲，归结这些影响可以认为是受到了一些不 平衡力的作用。为了研究这些作用力对船舶系统蒸发冷凝设备换热的影响，从而 强化换热和保证换热的安全性，对矩形窄流道内气泡的破裂影响因素和弹状流特 性的研究就有着更加深远的意义。 本文在 cfd 商业软件 fluent 平台下，基于 vof(volume of fluid)模型，从气 泡破裂的力平衡机理出发，研究了在竖直矩形窄流道内，单个气泡受到附加惯性 力作用下的变形破裂情况。研究发现，通过定义和观察气泡破裂点处速度和气泡 破裂时的颈部最短距离，来描述表面张力、附加惯性力大小及初始形状对气泡破 裂的影响是合理的。气泡破裂的机理来源于局部受力不平衡，导致破裂处液体对 气泡较大的射流作用，射流先是沿着破裂方向发展到一定程度就会沿着气泡拉伸 的方向发展，最后出现气泡的破裂。同时还发现，表面张力、附加惯性力和初始 形状对气泡的破裂有很大影响，它们直接影响流体对气泡的射流作用，最终可能 导致气泡破裂的发生。 同时，本文也对矩形窄流道中垂直、摇摆及倾斜三种条件下泰勒气泡形状及 气泡周围壁面切应力及液膜特性进行了研究。研究发现，液体质量流速、最大摇 摆角度及倾斜角度对泰勒气泡的形状、速度、壁面切应力及液膜特性有着重要的 影响；壁面切应力在气泡长度方向上不断变大，直到进入尾流区，由于强烈的涡 旋作用，壁面切应力产生强烈的无规则变化。同时，研究发现矩形流道中截面上 壁面切应力大于对角截面上壁面切应力，这是由于中截面和对角截面上不同粘度 造成的。再次，通过对泰勒气泡周围的液膜特性的研究，发现液膜的轴向速度分 布，直接影响着壁面切应力的分布，液膜轴向速度变化越大，形成的下降液膜就 越长，表明壁面切应力变化相应也越大。由于壁面切应力和壁面传质特性有着重 要的关系，特别是对于传热元件的对流换热有着直接的影响，这些研究就显得格 外重要。 关键词关键词气泡，破裂，弹状流，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract the moving ships inevitably encounter the sea breeze and waves and become rolling and inclined. from the physical essence, some unbalanced force can be considered to produce these effects. in order to study how important the forces have effect on the heat transfer of evaporation and condensation equipment in ship systems for enhancing heat transfer and ensuring the safety of heat transfer, the bubble breakup factors and the slug flow characteristics are studied in a rectangular narrow channel, which has a more far-reaching significance. in this paper, based on the vof (volume of fluid) model under fluent (cfd commercial software platform), the single bubble deformation and breakup in a vertical narrow channel are numerically investigated in this study based on the force balance at the bubble breaking up under additional inertial force. the results show that, by defining and observing the bubble velocity variation and the minimum necking size when the bubble is breaking up at the break-up point, to describe what is the effect of the surface tension, additional inertia force, and the initial bubble shape on the bubble breakup is reasonable. the mechanism of bubble break comes from the local stress imbalance, leading to the effect of the larger jet from liquid to the bubble on the breakup point. first, the jet develops along the breakup direction to a certain extent. then, it will develop along the elongated bubble direction， finally the bubble breakup appears. at the same time, we find that the surface tension, the additional inertia force and the initial bubble shape has a great influence on the bubble breakup, which directly affect on the bubble jet fluid role that could eventually lead to the occurrence of the bubble breakup. meanwhile, the paper also in vertical, rolling and inclined rectangular narrow channel, the taylor bubble and its surrounding the wall shear stress and liquid film properties are analyzed. study found that the liquid mass flow rate, the maximum rolling angle and inclined angle have a major impact on the taylor bubble shape, velocity, wall shear stress and film properties. the wall shear stress increases along the length of the bubble, severe random motion occurs at the tail of the slug bubble, due to the strong vortex effect. meanwhile, it has been found that the wall shear stress at the central position of the channel wall is larger than that at the corner of the channel wall on the same longitudinal section, which is caused due to different viscosity. again, through studying the liquid film properties surrounding the taylor bubble, which found 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii that the liquid film axial velocity distribution affects the distribution of wall shear stress directly and the greater the liquid axial velocity, the longer form of the falling liquid film, which shows the corresponding wall shear stress greater. as wall shear stress and wall mass transfer has an important relationship, especially for convection heat transfer that has a direct impact on heat transfer components, these studies appear particularly important. key words: bubble, breakup, slug flow, numerical simulation 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 2 1.2.1 附加惯性力下两相流研究现状 . 2 1.2.2 气泡破裂研究现状 . 4 1.2.3 弹状流研究现状 . 6 1.2.4 界面追踪方法研究现状 . 8 1.3 本课题的研究内容本课题的研究内容 . 11 2 数值模拟方法数值模拟方法 . 12 2.1 基本思想基本思想 . 12 2.2 数值求解过程数值求解过程 . 13 2.3 vof 基本控制方程基本控制方程 . 14 2.3.1 流体体积函数方程 . 14 2.3.2 动量方程 . 15 2.3.3 湍流方程 . 15 2.4 界面处理模型界面处理模型 . 16 2.4.1 连续过渡处理（ctt） . 16 2.4.2 连续表面力模型（csf） . 16 2.4.3 分段线性界面重构（plic） . 16 2.5 附加惯性力附加惯性力的处理的处理 . 17 2.6 本章小结本章小结 . 18 3 气泡破裂二维模拟气泡破裂二维模拟 . 19 3.1 模型简介模型简介 . 19 3.2 模型验证模型验证 . 20 3.2.1 气泡形状验证 . 20 3.2.2 气泡上升速度验证 . 21 3.3 附加惯性力下气泡的破裂分析附加惯性力下气泡的破裂分析 . 23 3.3.1 表面张力的影响 . 23 3.3.2 附加加速度的影响 . 27 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 3.3.3 初始形状的影响 . 29 3.4 本章小结本章小结 . 30 4 矩形窄流道内弹状流三维模拟矩形窄流道内弹状流三维模拟 . 31 4.1 模型简介模型简介 . 31 4.2 主要数据的提取及模型验证主要数据的提取及模型验证 . 34 4.2.1 主要数据的提取 . 34 4.2.2 模型验证 . 35 4.3 垂直条件下垂直条件下 . 36 4.3.1 气泡形状 . 36 4.3.2 壁面切应力 . 38 4.3.3 液膜速度分布 . 39 4.4 变最大摇摆角度条件下变最大摇摆角度条件下 . 40 4.4.1 气泡形状 . 40 4.4.2 壁面切应力 . 41 4.4.3 液膜速度分布 . 42 4.5 倾斜条件下倾斜条件下 . 44 4.5.1 气泡形状 . 44 4.5.2 壁面切应力 . 45 4.5.3 液膜速度分布 . 48 4.6 本章小结本章小结 . 49 5 结论及展望结论及展望 . 50 5.1 主要结论主要结论 . 50 5.2 进一步工作展望进一步工作展望 . 51 致致 谢谢 . 52 参考文献参考文献 . 53 附附 录录 . 58 a. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 . 58 b. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目 . 58 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题研究的背景和意义 汽（气）液两相流动广泛存在于各种现代化工业设备中，如沸水核反应堆堆 芯、压水堆蒸汽发生器、锅炉以及各种蒸发器和冷凝器设备中1，但由于两相流流 动问题非常复杂性，使其成为一直困扰很多研究者的问题。在核反应堆系统中， 沸水堆堆芯内冷却剂处于流动沸腾状态；而压水堆中，堆芯的热通道出口中也会 发生过冷沸腾，甚至是饱和沸腾。特别是在发生破口失水事故时，由于高温高压 的冷却剂向安全壳内的空间喷放，在此过程中将形成复杂的水、水蒸气及空气相 混合的多组分两相流动。 对于装载在轮船中的蒸发冷凝系统来说，船体在航行时由于受到海浪作用将 产生倾斜、起伏和摇摆，这些情况会对设备中的工作状况产生严重影响，比如， 会造成换热通道内的气泡破裂、聚合及流型变化等现象。 汽泡在破裂过程中所产生的子汽泡，会使得汽泡总相界面面积增加；其次， 由于射流引起汽泡破裂区域局部出现严重的湍流以及当壁面附近的汽泡破裂时， 汽泡的运动将强烈地扰动热边界层和速度边界层，都会增强换热。同时，在高热 流密度下，在弹状流下汽弹与换热元件壁面间会形成一层液膜，液膜与汽弹间的 相界面上存在着极其高效的液膜蒸发，强化了换热。 弹状流是两相流动中最重要的流型之一，对弹状流的流动特性进行研究，特 别是泰勒气泡在运动过程中形成的下降液膜和尾流，以及壁面上所受到的壁面切 应力，对于有效的控制壁面传热传质有着极为重要的意义。 从发表的研究中看，目前国内外对气泡破裂的研究，主要是研究气泡在粘性 流体中上升时的变形过程，而对于其它流动条件以及不同气泡初始条件等工况对 影响气泡破裂的研究还比较少；在附加惯性力条件下气泡发生变形和破裂的相关 研究更未见报道。同时，国内外很多学者都对圆形和方形流道中的弹状流进行了 实验和模拟研究，对长宽比较大的窄流道的研究还比较少见，特别是对附加惯性 力条件下矩形窄流道内的弹状流研究更不多见。 因此，本文在fluent平台下，基于气泡破裂的力平衡理论，应用vof两相流模 型并结合udf(user defined function)程序， 对附加惯性力条件下垂直矩形窄流道内 影响上升气泡的破裂的因素以及向上气-液弹状流的流动特征进行了研究。分别建 立了窄流道内气泡破裂的二维模型和气-液两相弹状流运动的三维模型进行研究； 模型预测了表面张力、附加惯性力以及初始气泡形状对气泡破裂的影响；并把模 拟结果与已发表的实验结果进行对比验证。同时，通过数值模拟还分析了不同液 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 体质量流速、不同最大摇摆角度和不同倾斜角度下，上升管内气-液弹状流泰勒气 泡的形状和壁面切应力等特性参数，为附加惯性力条件下蒸发冷凝系统的强化换 热并保证换热的安全性提供了有力证据。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 附加惯性力下两相流研究现状 从宏观上来讲，如风、浪等使航行中的船体造成的倾斜、起伏及摇摆等不稳 定状态，使得船体各设备之间出现明显的位置或空间变化，这种作用会使蒸发冷 凝设备产生附加加速度和位置的改变，相当于一个合外力作用于各个设备上，使 设备工作状态发生变化，影响这些设备的工作可靠性2。 早在20世纪六、七十年代，美、日、德等发达国家就开始研究海洋条件对核 动力装置热工水力特性的影响，但是，出于各种国家机密的目的，公开发表的文 章或资料还很少。日本原子能船舶研究协会和日本船舶技术研究所曾进行了海洋 条件对反应堆热工水力特性的影响的若干实验研究，它们研究的主要海洋条件包 括倾斜、起伏和摇摆。而研究主要包括了海洋条件对热工水力特性的影响，其中 主要包括流量、温度、空泡波动、chf(临界热流密度，critical heat flux)、共振和 出口临界过冷度等3。 ishida4等研究了船舶运动对深海核反应堆自然循环的影响。他们利用改进的 retran-02/grav核反应堆分析软件模拟了倾斜和起伏对反应堆热工水力系统 的影响。研究发现，在附加作用力条件下，核动力自然循环流动出现了新的运动 特性。分析表明，虽然船舶在倾斜条件下会引起堆芯流量有所降低，但是在没有 反应堆自动控制系统的调节下，反应堆功率能够自动恢复到初始水平。起伏使得 堆芯流量和反应堆功率产生一个不同于密度波振动的同相振动。 hiroyuki murata5等实验研究了摇摆条件下海洋反应堆自然循环特性及堆芯 传热问题。研究发现，由于摇摆所产生的附加惯性力的作用，自然循环流量随着 摇摆角度周期性的改变。随着摇摆周期变短，循环流量振动也变大。另一方面， 虽然堆芯流量随着摇摆周期变化，但是它并不发生振动。堆芯流量的变化和摇摆 雷诺数和瑞利数有直接的关系，被认为是因循环引起的热驱动头和压力损失的变 化造成的。为了模拟堆芯流量随摇摆周期的变化，他们提出了一维分析模型并进 行了模型验证。同时他们还发现，由于摇摆运动的影响，产生的内部流动增强了 堆芯内的传热；堆芯内的传热系数和摇摆运动下的理查森数有关并被分为三个不 同的形式。 庞凤阁6等人建立了一回路的自然循环能力在稳定状态时和受到摇摆、 起伏等 影响时的理论模型，对摇摆和起伏时的自然循环能力进行了动态模拟，并用热工 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 设计准则评价其安全性。通过分析发现，摇摆产生的附加惯性力对冷却剂的流动 会产生影响，从而影响流道压降，产生流量的波动；影响自然循环的各种因素中， 摇摆和起伏的加速度的影响是最大的。 曹夏昕7等在流道向上倾斜角度为15 和30 下， 分析了管径为15 mm， 管长为6 m的有机玻璃管内的两相流流型转变，并通过对比前人相应转变准则关系式，发现 弹状流向泡状流转变与准则关系式符合较好，但间歇流向环状流转变在高液相流 速下，实验值要远高于计算值。 范广铭8等通过实验研究， 对比了非摇摆和摇摆状态下竖直管内气液两相流流 型和压差波动情况，实验采用了15 mm、25 mm和34.5 mm管径，管长5 m。研究表 明，非摇摆和摇摆状态下的流型和压差波动曲线有明显不同；同时，观察到摇摆 状态下，除了搅混流压差波动周期性不明显外，其他几种流型都有明显的周期性 压差波动，并分析了产生差异的原因。 栾锋9等人对非摇摆和摇摆条件下垂直上升管内气液两相流截面含气率分别 进行了研究；研究发现，当液相流量较小时，两相流在摇摆状态下的截面含气率 小于非摇摆状态下的截面含气率，他们并通过摩阻系数分析，发现搅混流提前、 液相流体摩阻因子的增加等是造成截面含气率减小的原因；同时，随着液相流量 的增加，摇摆的影响会越来越小，当液相流量达到某一值后，这种差异会消失。 栾峰10等在摇摆周期为15 s、摇摆角度为10 的摇摆状态下，对管径为25 mm 的水平管路出现的向上和向下倾斜中两相流的流型变化进行了实验研究。研究发 现，摇摆状态下，气-水两相流流型与非摇摆状态下有很大不同，在某一气-水流量 区域，气-水两相流在一个周期内会存在两种流型。同时，当管路发生向上和向下 倾斜时，由于重力的分量对液体的影响，流动参数会随时间发生变化，在某一流 量下，一个周期内，管道内可能出现两种流型。 曹夏昕11等通过建立连续性方程和充分发展弹状流存在的条件等方程，对摇 摆状态下竖直管内充分发展条件下的弹状流的物理模型进行了解析。他们通过计 算不同管径内平均空泡份额进行计算，给出了摇摆状态下弹状流平均空泡份额的 关系式，并与实验进行了很好的对比，最大相对误差不超过40%。 阎昌琪12等人对摇摆状态下气-液两相流流型及空泡份额的变化进行了研究。 研究表明，摇摆状态下的两相流流型和非摇摆状态相比发生了改变，具体表现在 流型图上：泡状流提前转变为弹状流，搅混流的区域加宽等。同时，他们还发现， 在摇摆状态下弹状流型区的两相流空泡份额小于非摇摆状态下的空泡份额，他们 并应用分相流理论分析了产生这些现象的原因。 秦胜杰13等人就摇摆条件对过冷流动沸腾汽泡受力的影响进行了理论研究。 通过对比非摇摆下的汽泡受力情况，他们发现，摇摆本身产生的附加加速度对汽 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 泡本身的影响相对汽泡所受的其他力是可以忽略不计的，但是由于附加加速度会 造成流量的波动，而流量的波动进而会影响汽泡的受力，导致汽泡脱离点位置的 改变，所以摇摆运动对气泡受力的影响很大。 谭思超2等人对摇摆运动下系统空间布置对自然循环流动特性的影响进行了 研究。由于不同的空间位置产生的加速度大小和方向都不同，系统的空间布置对 摇摆运动条件下的自然循环流动存在较大影响，其中轴心的影响最大；摇摆轴心 位于回路外可以降低切向力的影响，降低波动的振幅，但轴心与回路距离不能过 大，这样会使得切向力因为半径增加而增加，造成波动振幅增大；他们提出采用 对称双回路布置可以有效消除切向力的作用，从而减小流量波动振幅。 1.2.2 气泡破裂研究现状 对气泡和液滴破裂理论的理论和实验的研究已经有很多年了，但是研究的基 本理论并没有多大进展，很多还是基于以前的一些经典理论。早在1932年泰勒14 就基于爱因斯坦对流体中悬浮着的球形固体的方程进行扩展，使其应用范围包括 球形液体，并理论研究了液滴在粘性剪应力作用下的变形；研究发现，如果包围 液滴的液体被扭曲得足够大或者是液滴的半径足够大，就会造成液滴的破裂；并 得到了在一定的扭曲的液体中存在最大液滴的近似方程。 大约20年后，kolmogorov15和hinze16单独提出了液滴在湍流中的破裂理论。 他们认为液滴的破裂是液滴和周围湍流旋涡相互作用的结果，并认为对气泡破裂 起作用的旋涡与气泡大小差不多，而比气泡小的旋涡没有足够的能量去干扰气泡 界面，而比气泡小的旋涡只会起到运输气泡的作用。他们假设液滴的尺寸在湍流 长度尺寸的惯性区域，因此，能用kolmogorov的普遍能量谱来估计这些旋涡对液 滴的作用力。基于这个模型，他们给出了液滴最大稳定尺寸和液滴破裂的标准。 通过对不同流动形式的变形原因进行分类，hinze试图用基于简单力平衡的通用框 架去解释它，提出导致液滴或者气泡破裂的这些力包括：表面张力、粘性力和惯 性力。在湍流中，当雷诺数足够大的时候，惯性力起主导作用。 sevik 和 park17对 hinze 关于湍流条件下液滴和气泡的破裂进行了更深入地 研究，特别针对大雷诺数下的水喷射空气泡的破裂情况，从实验中他们使用频率 分析方法预测气泡破裂的临界韦伯数(韦伯数代表惯性力和表面张力效应之比，韦 伯数越小代表表面张力越重要)为 1.3，但是 hinze 先前计算的临界韦伯数为 0.59， 他们用共振原理很好的解释了他们之间的差异，提出了气泡破裂的共振机理。 bhaga 和 weber18实验研究了单个气泡在粘性牛顿液体中的上升与变形行为， 指出气泡形状可以通过莫顿数 mo、 埃奥特沃斯数 eo 和雷诺数 re 等无量纲数来表 征。大多数对液滴或气泡破裂的预测模型都是和实验数据对比下的力的平衡模型， 通过观察在水喷射中渗透空气泡的破裂，他们预测了气泡破裂的最大稳定尺寸和 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 临界韦伯数。 walter19观察到气泡破裂是由于气泡边缘上碎片的分离、 气泡底部扰动及整个 运动过程中大的变形引起的。而这些扰动的影响非常类似于 batchelor g.k20提到 的单个球状形气泡的破裂。batchelor g.k 从统计数据来看，在重力条件下，水中 稳定上升的大气泡的上表面是不稳定的界面。假设液体对于界面来说是静止的正 弦扰动，而这些扰动是由表面张力控制的临界波长决定的。由于稳定上升气泡界 面液体的变形，使得原来界面变得不稳定。当扰动的增幅从常数增加到和界面曲 率半径可比较时，最大增幅将发生，气泡就会发生破裂；并得到了在保证气泡完 好的情况下，扰动初始大小和界面最大曲率的数值关系。这个关系被应用于大水 箱里帽形气泡和垂直管道中气泡的上升过程。 walter 等人21通过将气泡射入湍流液体中，实验研究了湍流条件下流体粘性 和表面张力对气泡稳定最大尺寸的影响。研究表明，气泡最大尺寸随着液体粘度 和表面张力的增大而增大。气泡通过哑铃拉长的形式破裂，破裂时间 25 ms。 wilkinson22等通过研究压力和气体分子质量对气泡尺寸和含气率的影响，他 们发现在气体表观速度一定的情况下，随着气体密度的增大，含气率也增大，但 是气泡尺寸在减小；最后，基于上述他们实验的结果，认为气泡密度对气泡破裂 有影响。 riss 和 fabre23研究了微重力条件下湍流对气泡的变形和破裂的影响。通过对 标准参数随时间变化和对标准参数的谱表示，可以观察到气泡变形的动力学特性。 此外，他们还对阻尼振子对测量强制湍流的响应做了数值模拟研究，证明了他们 实验的正确性。研究发现，气泡对时间的响应控制着从湍流涡中获得的能量中的 最大一部分；同时，粘性阻力限制了气泡在变形过程中的能量积累，使得气泡在 获得能量的同时也在不断的耗散一部分能量。结合实验研究，他们提出了气泡破 裂的两个机理，一个是基于两个相反作用力占主导的力平衡机理，另一个是共振 机理；并提出了用平均有效系数来分析气泡动力学的参数，结合韦伯数，可以很 好的预测两个机理的发生。 yoshikawa24等人实验研究了微重力条件下振动液体中气泡的破裂情况。通过 对比重力条件下气泡破裂情况，研究发现，微重力条件下气泡更容易破裂，所需 要的加速度阀值会更小。 nadina muller-fischer25等研究了单气泡在旋转环形通道内的变形和破裂情 况，他们认为粘性比在 6.710-83.110-7，毛细力数在 2945 之间时，气泡会发生 破裂。同时，在他们的实验工况内，气泡头部的破裂和整体的折断，从机理上讲 没有明显的区别。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 1.2.3 弹状流研究现状 nakoryakov26等测量了弹状流的流动特性，用壁面切应力解释了下降液膜中 倒装流的影响。随后，nakoryakov27等利用电气化学探针对垂直流体中的瞬时速 度曲线进行了更广泛的研究，得到了轴向和径向速度分布曲线。他们发现泰勒气 泡后面混合区的矢量环对弹状流的流动影响非常大。 bugg28等通过加入流体体积函数的方法来跟踪界面的运动的有限差分法来模 拟二维垂直管中泰勒气泡在静止液体中的上升过程。研究表明，他们证实了对泰 勒气泡上升的几个重要特征进行数值模拟的可行性，并预测了泰勒气泡上升的终 极速度、液膜厚度和液膜平均速度；同时，他们观察到了粘性占主导作用的平衡 液膜和无粘性作用的加速液膜，和实