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非圆截面小通道内气液两相流动特性实验研究

作　者: 王红波
导　师: 周云龙
学　校: 东北电力大学
专　业: 热能工程
关键词: 气液两相流小通道流型压降含气率图像处理可视化
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

上世纪90年代初期,为适应可持续发展和高新技术发展的需要,微化工技术成为化工领域内多学科交叉的科技前沿领域。由于相对常规化工过程具有高效性、快速性、灵活性、轻便性、易控制、及高度集成等优点,自MEMS/NEMS概念提出以后,在世界范围内有关微小通道气液两相流动特性研究迅速成为人们关注的热点。国内外公开发表的相关学术论文也层出不穷,但是由于不同的作者以及采用的研究方法等不同,导致得出的结论差异很大。为避免不同的实验系统对研究结果造成差异,本文在同一实验系统上对水力直径均为1.15mm的矩形和正三角形小通道内氮气-水气液两相流动特性进行可视化研究。本文主要从流型、截面含气率和压降这三个层面上对这两种小通道内的气液两相流动进行对比分析研究。本文辅助高速摄像机在表观液速0.01m/s-5m/s,表观气速0.1m/s-30m/s范围内对两种非圆截面小通道内的氮气-水气液两相流流型进行可视化观察。在气液两相垂直向上流动中,矩形小通道内观察到了分散泡状流、弹状流、搅拌流和环状流四种流型;正三角形小通道内观察到了分散泡状流、毛细泡状流、弹状流、拉长的弹状流、搅拌流和环状流等典型流型,通过对比分析得出小通道的截面形状对流型的形成及转变有较大影响。同时本文在水平方向上对矩形小通道内气液两相流动进行了实验研究,在较低的两相表观速度下,观察到了一般在微小通道内极少出现的分层流动,同时也观察到了分散泡状流、毛细泡状流、弹状流、拉长的弹状流、搅拌流和环状流。对于含气率的研究,本文针对小通道内气泡之间相互无遮掩的优势,采用数字图像处理技术对小通道内的气泡进行去噪处理后,进行二值化、边缘检测和区域填充等处理,然后根据不同的流型特征提出的假想的三维气相体积模型进行体积含气率的计算,并结合数据拟合得到了截面含气率的计算公式。最后,根据数字图像处理技术检测计算得到的截面含气率进行摩擦压降的分析计算,将计算结果同均相流模型和分相流模型预测值进行比较发现:对于矩形小通道垂直向上流动,已有的压降模型均不能较好的预测本文实验结果,而对于正三角形小通道垂直向上流动,均相流模型在±20%内能较好的预测其压降特性。因此结合实验数据,对Chisholm模型进行了修正,修正后的两相压降模型能较准确预测矩形小通道内气液两相流动压降变化。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
第1章绪论  12-23
  1.1 课题研究背景及意义  12-13
  1.2 微小通道内气液两相流动特性的研究发展和现状  13-20
    1.2.1 小通道内气液两相流流型的研究进展及现状  15-17
    1.2.2 小通道内气液两相流含气率的研究进展及现状  17-18
    1.2.3 小通道内气液两相流压降的研究进展及现状  18-20
  1.3 气液两相流的基本参数  20-21
  1.4 本文的主要研究内容  21-23
第2章实验系统  23-30
  2.1 小通道气液两相流实验系统  23-24
  2.2 实验段的选择与加工  24-25
  2.3 实验数据采集系统  25-26
    2.3.1 实验信号的选择  25-26
    2.3.2 实验信号的采集  26
  2.4 高速摄像系统  26-27
  2.5 照明系统  27-28
  2.6 实验步骤与实验条件  28-29
  2.7 本章小结  29-30
第3章小通道内气液两相流流型特性的研究  30-49
  3.1 小通道内气液两相流型理论  30-40
    3.1.1 小通道内气液两相流流型研究的意义  30-31
    3.1.2 小通道内气液两相流流型的划分及判别方法  31-36
    3.1.3 小通道内气液两相流流型的判别方法  36-38
    3.1.4 小通道内气液两相流型转变预测模型  38-40
  3.2 矩形小通道内气液两相流型  40-43
    3.2.1 水平方向上的流型特性  40-42
    3.2.2 垂直方向上的流型特性  42-43
  3.3 正三角形小通道内气液两相流型  43-45
  3.4 本文两相流型实验结果的比较  45-46
  3.5 与经典流型转变模型预测值的比较  46-48
  3.6 本章小结  48-49
第4章小通道内两相流截面含气率的研究  49-64
  4.1 截面含气率的定义及研究重要性  49
  4.2 小通道内气液两相流含气率的计算方法  49-50
  4.3 基于图像处理技术的含气率计算方法  50-62
    4.3.1 流型图像处理  51
    4.3.2 二值化和边缘提取  51-52
    4.3.3 气相区域填充  52-53
    4.3.4 气相区域标定  53
    4.3.5 气相参数的计算  53-57
    4.3.6 含气率的计算结果与分析  57-62
  4.4 本章小结  62-64
第5章小通道内气液两相流压降特性的研究  64-78
  5.1 引言  64
  5.2 两相流压降的定义及研究意义  64-65
    5.2.1 两相流压降的定义  64-65
    5.2.2 两相流压降的研究意义  65
  5.3 两相流压降的基本公式  65-71
  5.4 实验结果与压降模型的比较  71-76
  5.5 本章小结  76-78
结论  78-80
参考文献  80-85
攻读学位期间取得的研究成果及发表的学术论文  85-86
致谢  86

非圆截面小通道内气液两相流动特性实验研究

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