水平管气液两相流钝体绕流流动特性分析

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1、第一章绪论PrecessingFlowmeter）常称旋进旋涡流量计、射流流量计（FluidicFlowmeter）[4][5]三种流量计。其中涡街流量计最先被用户所接纳，因为涡街流量计相对于其他两种流量计在产品的生产制造以及产品的实际推广等方面有着显著的优势，而另外两种流量计的发展相对于涡街流量计来说就比较缓慢些。现阶段，工业上应用最多的是应力式涡街流量计，其市场份额占到了90%以上。应力式涡街流量计是利用压点敏感元件将涡街发生体上受到的横向交变力作用转换为电信号，再通过信号处理并提取电信号中的频率，从而根据频率与流速之间

2、的关系计算得到被测流体的流速。但是，因为涡街流量计是属于流体振动型流量计，它对外部的振动干扰比较敏感。当所处测量环境含有振动源如工业生产机器的振动时，其给出的测量结果可能与实际流量相比有较大的偏差，尤其是低流速、涡街信号不是很强、信噪比比较低的情况下，涡街流量计的应用可能会受到限制，这也是目前研究中亟待解决的问题。1.1气液两相流钝体绕流现状研究[6]从宏观的角度看，可以把自然界的物质分为三种状态：气相、液相和固相。多相流（MultiphaseFlow）是指同时存在两种或者两种以上状态物质的流体。由于在工业生产之中，常常会有

3、输送液相流体的管道中混入气相流体或者其他液相流体从而导致所测流体变成两相流甚至变成多相流。在满足一定的条件下，多相流流经钝体时会在钝体后端产生周期性脱落的漩涡，当漩涡脱落的频率与装置设备的固有频率合拍（涡街频率等于设备固有频率或者是设备固有频率的整数倍）时，会引起设备的共振，有可能对工业生产的安全性产生严重的挑战。因此，探究多相流流体绕钝体绕流的运动机理对工业设备的设计以及其安全运行都有着积极的作用，对工业生产的安全性有实际的意义。在本文的研究中，把多相流钝体绕流后产生周期性脱落的涡街和不产生周期性脱落的涡街统称为气液两相流

4、的涡街脱落特性。从20世纪80年开始，学者们就不断地探究多相流绕钝体绕流的运动机理，但是由于多相流各相间存在着复杂的相互影响，而且多相流与绕流柱体之间也存在着复杂的作用关系，因此，对于其机理性研究还是有很大的难度。就目前而言，虽然多相流钝体绕流的研究取得了一定的进展，国家也在政策上给与了大量的支持，很多‘国家自然基金’‘八五’、‘九五’以及‘863’等科研项目都涉及两相流和两相流钝体绕流现象的研究，但是现阶段的研究成果还远远达不到工业生产的要求，虽然现在这个研究领域已经有了一定的研究成果，但是这些研究成果还不足以全面地描述多

5、相流钝体扰流的运动机理。目前，这方面还处于摸索和探索2第一章绪论阶段，其主要是通过具体实验和仿真实验两个方面来分析探究多相流钝体绕流现象的运动特性。1.1.1多相流钝体绕流研究现状[7]在实验方面，1986年，Inoue等人对气液两相流流经单圆柱体钝体进行了实验研究，对不同圆柱体尺寸以及不同含气率条件下涡街流场进行了分析。[8]2001年，李永光等人采用不同尺寸和规格的钝体进行了气液两相流的涡街脱落实验研究，并以此推导了斯特劳哈尔数的经验公式。[9][10]2005年，浙江大学的孙斌采用HHT方法对两相流涡街实验信号进行了处

6、理，认为HHT方法在分析处理涡街信号处理中有较大的优势，采用这种方法能去除无关的干扰，而且具有计算精度高、速度快的特点。并在随后采用HHT方法应用在气液两相流信号的处理之中，发现利用HHT方法能有效除去噪声。[11]2007年，浙江大学的孙志强发表有关差压式涡街流量计信号处理系统研制的文章，为多相流涡街的测量和检测提供了新的思路。并通过实验研究了气液两相流绕钝体流动涡街脱落的稳定性问题，得出了气液两相流涡街脱落稳定时含气率的范围。同时其提出了新的检测流型的方法，并辨别了垂直上升管道中流型。[12]2009年，周云龙通过对圆柱

7、形钝体和方形柱体进行对比实验，得出了以下结论：当钝体为方柱体时，斯特劳哈尔数的变化与雷诺数无关；当钝体为圆柱体时，斯特劳哈尔数的变化与雷诺数有关。学者在多相流的数值模拟仿真方面也做了大量的研究工作：[13]1988年，张辉等对竖直槽中气液两相流进行了数值模拟仿真研究，对两相流的流场进行了分析，并构造了气泡变化的理论模型。[14]2001年，华北电力大学的马昕霞对气液两相流中典型的泡状流进行了仿真模拟，并取得了与实验数据的一致性。[15]2007年，天津大学的贾云飞等人对水平管中的雾状流钝体绕流现象进行了数值模拟，并计算了不同

8、监测点的信号强度，最后得出结论：在钝体后2.8倍迎流面宽度处，雾状流钝体扰流现象的流场信息最为丰富。[16]2011年，东北电力大学的齐超博等人采用有限容积法计算了不同含气率、不同流速与双圆柱圆心连线角度情况下，整个流场的变化。研究中发现，上游圆柱型钝体的脉动升力系数并不是随着夹角减小而顺