【WORD格式论文原稿】低温垂直管内两相弹状汽泡长度和液弹长

【WORD格式论文原稿】低温垂直管内两相弹状汽泡长度和液弹长 免费查阅 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 与论文: 低温垂直管内两相弹状汽泡长度和液弹长 1 度分布的实验研究 111张华 ，王淑华 ，王经 1 上海交通大学机动学院工程热物理研究所，上海(200240) E-mail:wangj@sjtu.edu.cn 摘 要: 用高速动态分析仪对低温垂直管内不同位置处两相弹状汽泡长度和液塞长度分布进行了实验研究。通过对获得的实验结果进行统计分析，表明弹状汽泡长度的标准偏差随着 长径比的增大而增大;液塞长度在长径比大于 10 后，随着长径比的增大而增大，说明湍流 强度随着长径比得增加而增大。对于管内沸腾工况而言，未充分发展低温弹状流中弹状汽泡 和液塞长度符合对数正态分布规律。该文为进一步研究低温输送管路中弹状流发展过程中弹 状汽泡和液塞的长度分布提供了依据。 关键词:弹状汽泡;液塞;长度分布;统计方法 中图分类号:O359+.1 1. 引 言(四号，宋体，加粗) 现代宇航工程的发展对多相流科学理论在低温工程中的应用提出了新的挑战和极高的 要求。低温工程中的低温液体输送系统中始终存在热漏，从而不可避免的形成低温两相流动 [1, 2]。两相流的发生使低温液体输送系统的压力计算、稳定运行等问题变得十分复杂，给低 温设备的安全运行监控提出更高的要求。 垂直低温两相流输送管内两相流流型的确定是航空航天工程中的重要问题。由于在低温 液体火箭发动机中的低温燃料大多使用的是液氧和液氢或液氧和煤油的组合，因此，研究低 温液体的贮存、输送过程中出现的两相流非稳定现象在发动机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中具有重要的意义。国内 [3-6]外虽然有采用空气,水和煤油等工质进行弹状气泡长度和液塞长度的研究，但工质往往 都是常温液体工质，比较少见低温液体作为工质进行弹状气泡长度和液塞长度的研究。低温 液体如液氢，液氮，液氦等具有很大的压缩系数，汽相与液相间密度差别小且蒸发潜热小， 因此低温两相流汽泡的产生、发展与常温两相流汽泡的产生、发展有很大的不同。常温液体 中弹状气泡长度和液弹长度分布规律不能直接用于计算低温液体中弹状气泡长度和液弹长 度。 本文针对低温液体的特性，对不同位置处液氮弹状汽泡长度和液弹长度进行了实验研 究，利用高速动态分析仪获得了液氮弹状汽泡长度和液弹长度的实验数据，分析研究其变化 规律，为进一步探求圆管内液氮弹状汽泡和液弹长度的分布提供依据。 2. 低温液体可视化实验装置 图 1 为垂直低温两相流液氮汽泡上升的实验装置示意图，主要由液氮杜瓦、贮罐、低温 垂直输送管(测试段)和真空泵组成。为探讨低温液体垂直输送管路的流动规律，针对低温 液体特性，实验所用贮罐及低温垂直输送管路均采用双层 Pyrex 玻璃特殊制成，并使用真空 1 本课题得到高校博士点基金资助。 - 1 - 免费查阅标准与论文: 泵将真空夹层抽取真空。 实验使用的玻璃管参数及抽真空后的真空夹层的真空度见表 1 的双层输送管路结构数据。 利用高速摄像装置，测量并拍摄管路内流体运动状况。 Upper tank Test section Vacuum pump Nitrogen dewar 图 1 可视化实验装置示意图 Fig.1 Experimental apparatus Light Screen Digital Camera Taylor bubble Light Vacuum Monitor 图 2 拍摄装置示意图 Fig. 2 The schematic design of Image processing system 图 2 是本实验所用摄像装置示意图。摄像装置由高速动态分析仪、监视器、光源、计算 机组成。高速动态分析仪的型号为 REDLAKE MotionPro X3，在 512 X 512 像素情况下，该 高速动态分析仪的频率为 1000f/s。拍摄镜头采用 AI NIKKOR 50/F1.2S 镜头。通过高速动 态分析仪可以 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 捕捉到低温垂直可视化管路测试段的汽泡运动状况。通过动态分析仪拍摄 - 2 - 免费查阅标准与论文: 到的管路高度由采样频率决定，频率越高，拍摄的范围越小，清晰度也越高。 实验中，当液氮汽泡经过测试段时，运动状况被高速动态分析仪及摄像机记录，并直接 或通过视频采集卡存储到计算机中。高速动态分析仪的采样频率为 1000 帧，分辨率为 512 X 512 像素，捕捉下来的质量较高，易于汽泡分析。光源采用了 2 个 1000W 的摄影灯。 实验 过程中，采用高速动态分析仪对从管路底部开始 10D,20D, 30D, 40D 和 50D 的位置 进行了测量。 表 1 为管路的结构数据，双层输送管路由透明的 Pyrex 玻璃直接烧制而成，可以通过摄 像机直接拍摄管路内部汽泡运动状况。 表 1 低温输送管路结构数据 Table 1 Structure of cryogenic transfer pipe 输送管路输送管内径 /mm管路长度 /m长径比绝热方式 双层输送管真空夹 层 15mm ，真 空度 16 1 62.5 -2(抽真空绝热) 6*10Pa 3. 实验结果及讨论 图 3 是高速摄像图片经过曝光后所获取的 10D、20D、30D、40D 和 50D 处弹状汽泡的图 像。每个位置处的三张图像时间间隔为 10 毫秒。 弹 状 弹 汽 状 泡 汽 长 泡 度 长 L 度 L (a) 10D 位置处弹状汽泡图像 (b) 20D 位置处弹状汽泡图像 弹 状 汽 弹 泡状 长汽 度泡 L 长 度L (c) 30D 位置处弹状汽泡图像 (d) 40D 位置处弹状汽泡图像 - 3 - 免费查阅标准与论文: 弹 状 汽 泡 长 度 L (e) 50D 位置处弹状汽泡图像 图 3 不同位置处弹状汽泡图像 3.1 不同 L/D 处弹状汽泡长度分布 图 4 为不同 L/D 处弹状汽泡长度 L统计分布的实验结果。图中可以看到，随着 L/D 的 B 增大，短弹状汽泡所占的份额逐渐减小，平均弹状汽泡长度增大，标准偏差越来越大，说明 湍流强度越来越大。 B B B 0.40 0.30 0.40 0.35 0.25 0.35 L/D=20 0.30 L =1.40D Bmean L/D=300.30 L/D=10 SD=0.39DL =2.06DBmean 0.20 0.25 L =0.79DBmean SD=0.63D0.25 SD=0.26D 0.20 0.15 0.20 i ii N /N N /N N /N 0.15 0.15 0.10 0.10 0.10 0.05 0.05 0.05 0.00 0.00 0.00 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 0 1 2 3 4 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 L /DL /DB B L /DB (a) 10D 处弹状汽泡长度分布 (b) 20D 处弹状汽泡长度分布 (c) 30D 处弹状汽泡长度分布 B B 0.30 0.30 0.25 0.25 L/D=50L/D=40 L =3.40DBmean L =2.66D0.20 BmeanSD=1.41D 0.20 SD=0.80D 0.15 i i 0.15 N /N N /N 0.10 0.10 0.05 0.05 0.00 0.00 0 1 2 3 4 5 6 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 7 8 9 6.0 6.5 L /DL /DB B (d) 40D 处弹状汽泡长度分布 (e) 50D 处弹状汽泡长度分布 图 4 不同 L/D 处弹状汽泡长度分布 3.2 不同 L/D 处液塞长度分布 图 5 为不同 L/D 处液塞长度 L统计分布的实验结果。图中可以看到，随着 L/D 的增大， S 短液塞所占的份额逐渐减小，平均液塞长度增大。当 L/D>10 后，随着 L/D 的增大标准偏差 越来越大，同样说明湍流强度越来越大. - 4 - 免费查阅标准与论文: B B B 0.25 0.18 0.20 0.16 0.20 L/D=10 0.14 L/D=20 L =2.66D smean L =3.51D0.15SD=1.96Dean 0.12 0.15 L/D=30 sm L =4.23DSD=1.82D smean 0.10 j SD=2.24D /N0.10 j N /N 0.10 jN 0.08 N /N 0.06 0.05 0.05 0.04 0.02 0.00 0.00 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 6 7 8 9 10 9 10 11 L /DL /D L /DS S S (a) 10D 处液塞长度分布 (b) 20D 处液塞长度分布 (c) 30D 处液塞长度分布 B B 0.20 0.18 0.18 0.16 0.16 0.14 L/D=50 L/D=40 0.14 L =7.38D0.12L =5.85DSmean smean 0.12 SD=5.96D SD=3.51D 0.10 0.10 j 0.08 j 0.08 N /N N /N 0.06 0.06 0.04 0.04 0.02 0.02 0.00 0.00 -0.02 -0.02 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 L /DS L /DS (d) 40D 处液塞长度分布 (e) 50D 处液塞长度分布 图 5 不同 L/D 处液塞长度分布 由图 4 和图 5 可以看出，弹状汽泡和液塞长度分布服从对数正态分布，对其分布用对数 正态分布函数进行了拟和，如图 4 和图 5 所示。对数正态函数的表达式为: 2 ? ln x ? ξ ?1 =1 ( ) f z =( ) exp? ? ? 2πλ x 2 λ 式中， x = L / D , L 为弹状汽泡和液塞的长度， λ , ξ 为常数，图 4、5 中的 λ , ξ 值见表 2。? ? 表 2 参数 λ , ξ 的值 弹状汽泡 液塞 10D 20D 30D 40D 50D 10D 20D 30D 40D 50D λ1.351.160.710.760.51.420.560.620.570.67 ξ1.141.551.121.361.171.831.341.381.661.77 4. 结论 本文利用高速动态分析仪研究了低温垂直管内不同位置处两相弹状汽泡长度和液塞长 度的分布，给出了不同位置处的弹状汽泡和液塞长度的分布图。统计分析表明，弹状汽泡长 度的标准偏差随着 L/D 的增大而增大;液弹长度在 L/D 大于 10 后，随着 L/D 的增大而增大; 从不同角度说明了湍流强度随着长径比得增加而增大。通过对弹状汽泡和液塞长度的统计分 析，表明弹状汽泡长度和液塞长度与对数正态分布符合较好。 - 5 - 免费查阅标准与论文: 参考文献 [1] Frost,W.ed.,Heat Transfer at Low Temperatures,Plenum Press,New York(1975) [2] 陈国邦，林理和，低温绝热与传热，浙江大学出版社，1989 [3] 夏国栋，刘亮，马重芳，周芳德，胡明胜.气液两相弹状流动的实验研究,液弹长度及Taylor气泡长度 份额.[J]北京工业大学学报, 2000，26(2):35-38 [4] 李西营, 于志家.垂直上升管中的液弹长度分布. 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Liquid plug length was increasing with L/D too, when L/D was greater than 10. Above results showed turbulence intensity was increasing with L/D. In the un-fully developed cryogenic slug flow region, the length of slug bubble and liquid plug don’t obey normal distribution. These conclusions are base work for further study of length distributions of slug bubble and liquid plug. Keywords: slug bubble; liquid plug; length distribution; statistical method 作者简介:张华，男，1977 年生，博士研究生，主要研究方向多相流。 王淑华，女，1978 年生，博士研究生，主要研究方向多相流。 王经，女，1945 年生，教授、博士生导师，主要研究方向多相流及生物质能。 - 6 -