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自然循环系统气阻形成机理与最小倾角研究

作　者: 缪仁杰
导　师: 李淑兰
学　校: 昆明理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 自然循环 气液两相流 气泡 气阻 最小倾角
分类号: O359.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


自然循环系统在很多工业领域都有应用，特别是在核能利用、锅炉循环、太阳能热利用系统等方面应用广泛。在自然循环系统中，通常存在气-液两相流动，当气相介质在系统中不能及时顺利通过时，极易发生气阻。为了保证自然循环系统的正常、安全应用，弄清其气阻形成的机理并提出合理的解决方法极有必要。在常见的开放式自然循环系统中，外界空气进入到系统之后，在自身体积、液相介质、管壁等因素的作用下，会发生形变、生长、聚并和运动等力学现象。文章以太阳能热水器为例，从理论和实验两个方面对集热器循环管道中单气泡的运动、气阻形成机理以及如何通过管道倾角规避气阻发生进行了研究。主要内容如下：通过对小角度倾斜圆管(0°＜θ≤10°)中单气泡的实验，观察到了单气泡的形状、运动及聚并过程；判断了管中流体流动充分发展后的流型；对小角度倾斜圆管中单气泡的终端运动速率和气泡的聚并做了简要研究；通过理论推导获得了小角度倾斜管中气泡在脱离前后的生长特性，得到了脱离前，气泡的当量直径与锐孔直径、表面张力系数之间的关系，脱离后的运动段，气泡的当量直径与运动速度、表面张力系数、粘度间的关系。本文对小角度倾斜圆管中的变形气泡进行了力学分析，建立了相关的力学模型：根据力学模型确定了气阻发生的临界条件，得到了含有待定参数k、γ的气泡通过管道倾角避免气阻发生的临界角度数学表达式；通过对液相介质为水、乙醇和乙二醇水溶液的自然循环系统中的气泡在小角度圆管中沿管壁向上运动的实验研究，得到了气泡在管中的上升时间t随管道倾角θ、气泡体积V_g和管内径D变化的关系图；经计算进而确定了待定参数k、γ，得到了避免气阻产生的管道临界倾角表达式：通过采用不同液相介质进行实验、与前人的半经验曲线进行比对两种方法对前述理论和实验研究予以验证和修正，证明了理论研究、实验研究和所获数学表达式的正确性，并例举了不同工质的实例计算。本文为小角度倾斜圆管中气泡的力学研究奠定了理论基础，丰富了自然循环系统中关于两相流的研究，为解决自然循环系统的气阻问题提供了理论指导，特别是对太阳能与建筑一体化技术的发展具有重要的工程指导意义。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
主要符号说明  9-13
第一章 绪论  13-29
  1.1 研究背景  13-18
    1.1.1 自然循环系统  13-14
    1.1.2 两相流  14-16
    1.1.3 太阳能热利用系统  16-17
    1.1.4 问题提出  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-26
    1.2.1 自然循环系统的研究现状  18-19
    1.2.2 两相流的研究现状  19-25
    1.2.3 气阻的研究现状  25-26
  1.3 本文主要研究内容和技术路线  26-29
第二章 小角度倾斜圆管中单气泡运动行为研究  29-45
  2.1 单气泡的形状  29-32
  2.2 单气泡的生长  32-38
  2.3 单气泡的运动  38-41
  2.4 气泡的聚并  41-42
  2.5 流型判断  42-44
  2.6 本章小结  44-45
第三章 小角度倾斜圆管中气阻的理论研究  45-63
  3.1 简化后的理想气泡在流场中的运动  45-47
  3.2 理想气泡在流场中运动时的力学研究  47-51
    3.2.1 理想气泡在简化流场中作一维定常运动时的受力  47
    3.2.2 理想气泡在非静止粘度场中作一维定常运动时的受力  47-49
    3.2.3 理想气泡在流场中作一维非定常运动时的受力  49-51
  3.3 阻力系数  51-56
    3.3.1 雷诺数Re对阻力系数的影响  52-53
    3.3.2 其他因素对阻力系数的影响  53-56
  3.4 理想气泡在流场中运动时的力学模型  56-57
  3.5 倾斜管壁面上气泡的力学分析  57-59
    3.5.1 表面张力  57-59
    3.5.2 浮升力  59
  3.6 倾斜管壁面上气泡的力学模型及倾角研究  59-60
  3.7 气阻研究  60-61
  3.8 本章小结  61-63
第四章 实验研究  63-79
  4.1 实验装置及方案  63-64
  4.2 实验结果分析  64-70
  4.3 系数求解  70-78
    4.3.1 表面张力附加系数曲线  70-75
    4.3.2 多元线性方程组计算k值  75-77
    4.3.3 粘性阻力修正系数γ  77-78
  4.4 本章小结  78-79
第五章 结果分析与讨论  79-90
  5.1 理论验证  79-87
    5.1.1 曲线比对  79-81
    5.1.2 实验比对  81-87
  5.2 实例计算  87-89
  5.3 本章小结  89-90
第六章 结论和展望  90-93
  6.1 小结与结论  90-91
  6.2 研究的不足与展望  91-93
致谢  93-94
参考文献  94-100
附录 A:攻读硕士学位期间发表论文目录  100

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学 > 多相流 > 液、气（汽）二相流
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