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气液两相流矩形柱绕流旋涡脱落数值研究

作　者: 邓冬
导　师: 周云龙
学　校: 东北电力大学
专　业: 热能工程
关键词: 气液两相流方柱绕流并列双方柱绕流矩形柱体绕流旋涡脱落双流体模型
分类号: TB126
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

气液两相流绕流现象广泛存在于动力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工业领域。一定工况下流体在柱体后部形成交替脱落的涡街,会使柱体受到交替变化的脉动力,由此产生的疲劳损伤大大缩短了工业设备使用寿命。当涡街频率与柱体固有频率一致时,发生共振将造成极大破坏。为促进气液两相涡街与柱体相互作用机理研究发展和给工业设备设计以及安全性分析提供充分科学依据,结合国家自然科学基金项目(50676017)、教育部科学技术研究重点项目(206037),本文对垂直上升管道内的气液两相流绕方柱、并列双方柱、矩形柱体等方形柱体流动进行了数值研究。采用体积平均方法离散了气液两相流动控制方程组。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,基于双流体模型和RNG k ?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Re数下的k ?ε模型推广到了近壁区。通过计算发现:对于有锐角边的方形钝体绕流,流场特性不受来流雷诺数大小影响;来流含气率的增大,对抑制稳定涡街生成贡献很大,柱体后方流场含气率按旋涡形式分布,但主要集中在柱体两侧的低压区域;对于气液两相流并列方柱绕流,在间距比T/D<2.0时,双方柱尾迹模式是偏流模式,且宽窄尾迹流是通过中间模式(非偏流)相互转化的,但不一定依照从宽(窄)到中再到窄(宽)的严格顺序。在间距比T/D≧2.0时,双方柱尾迹是“同步”模式。在T/D=2.0时,双方柱同步同相旋涡脱落形式为主,T/D=2.5、3.0、5.0时,双方柱同步反相旋涡脱落形式为主。在偏流模式中,并且拥有宽尾迹模式的柱体具有更小的阻力,拥有窄尾迹模式的柱体具有更大的阻力,而中间模式两柱体阻力相当。同时间距比对脉动升力,脉动阻力,时均阻力,幅值谱等都有很大影响。矩形柱体绕流旋涡脱落特性与矩形截面边长比关系密切。本文由第一章绪论、第二章气液两相绕流计算模型、第三章气液两相流方柱绕流旋涡脱落特性、第四章气液两相流并列方柱绕流旋涡脱落特性、第五章气液两相流矩形柱体绕流旋涡脱落特性、以及总结和展望组成。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
主要符号表  13-15
第1章绪论  15-25
  1.1 旋涡脱落概述  15-19
    1.1.1 旋涡脱落工程背景及意义  15-16
    1.1.2 旋涡脱落的形成过程  16-17
    1.1.3 发生涡街时圆柱体的受力  17-19
    1.1.4 涡街的物理特征  19
  1.2 文献综述  19-23
    1.2.1 气液两相流绕流柱体的实验研究进展  19-21
    1.2.2 气液两相流绕流柱体的数值模拟研究进展  21-23
  1.3 本文的研究内容  23-25
第2章气液两相绕流矩形柱体计算模型  25-37
  2.1 前言  25
  2.2 描述气液两相混合物流动的一些基本参数  25-27
  2.3 气液两相流绕流模型控制方程  27-28
  2.4 气液两相流动的相间作用力  28-29
  2.5 气液两相流紊流模型  29-32
  2.6 壁面函数法  32
  2.7 控制方程组的通用表达式  32-33
  2.8 气液两相绕流紊流方程的求解  33-35
    2.8.1 通用控制方程的离散  33-34
    2.8.2 非均分网格  34-35
    2.8.3 压力修正方程  35
  2.9 计算区域和边界条件  35-36
  2.10 分离式迭代求解方法  36
  2.11 本章小结  36-37
第3章气液两相流单个方柱绕流旋涡脱落特性  37-42
  3.1 前言  37
  3.2 计算结果及分析  37-41
    3.2.1 方柱绕流流场和流场中含气率分布  37-39
    3.2.2 脉动升阻力系数  39-41
  3.3 本章小结  41-42
第4章气液两相流并列双方柱绕流旋涡脱落特性  42-57
  4.1 前言  42
  4.2 计算模型与数值方法  42-43
  4.3 间距比对尾迹模式的影响  43-47
  4.4 间距比对脉动升阻力系数的影响  47-49
  4.5 间距比对脉动升力幅值谱的影响  49-50
  4.6 含气率对脉动升阻力系数的影响  50-51
  4.7 含气率对脉动升力系数功率谱的影响  51
  4.8 转换现象的小波分析  51-53
    4.8.1 连续小波变换  52
    4.8.2 转换现象实例分析  52-53
  4.9 频域过程的对称性分析  53-56
    4.9.1 频域过程对称性分析意义  53
    4.9.2 频域过程对称性分析实例  53-56
  4.10 本章结论  56-57
第5章气液两相流矩形柱体绕流旋涡脱落特性  57-62
  5.1 前言  57
  5.2 计算结果及分析  57-61
    5.2.1 矩形柱体绕流流场及流场中含气率分布  57-59
    5.2.2 脉动升阻力系数及旋涡脱落频率  59-61
  5.3 本章结论  61-62
总结与展望  62-64
参考文献  64-70
攻读硕士学位期间发表的学术论文  70-71
致谢  71

气液两相流矩形柱绕流旋涡脱落数值研究

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