摇摆条件下气液两相流动界面输运模型研究

虽然两流体模型是计算两相流动的最精确模型，但因目前还没有适用于摇摆条件下的界面传输模型，因此无法将其用于摇摆条件下的气液两相流动。本项目通过可视化手段、对摇摆条件下管内的空气-水两相流动过程进行试验，并利用四传感器光纤探针测量不同摇摆和流动参数下两流体模型的关键参数-局部界面面积浓度（IAC），建立摇摆条件下IAC的实验数据库；利用此数据库，以Ishii等建立的通用的界面输运方程为基础，通过修正方程中源项的方法，建立新的界面输运方程，用于计算摇摆条件下的IAC，最终使两流体模型能够用于计算摇摆条件下气液两相流动和传热问题，拓展其适用范围；通过把新的界面输运模型植入到目前常用的、采用两流体模型的大型热工水力计算程序中，如RELAP5、TRAC等，可以克服程序中IAC的计算只能依靠经验公式的缺陷，使两流体模型和采用两流体模型的计算程序能够用于海洋核动力装置的设计开发等诸多领域。

两流体模型作为描述两相流动的最精确模型，在CFD软件等诸多领域中被广泛采用。由于缺乏适用于摇摆条件下的界面输运模型，因此无法将其用于摇摆条件下的气液两相流动。本项目通过可视化手段、对摇摆条件下管内的空气-水两相流动过程进行试验，并利用光纤探针测量不同摇摆和流动参数下空泡份额、界面面积浓度（IAC）等局部参数数据。在分析界面参数分布特性基础上，分析摇摆、倾斜等条件对于两相流动过程界面分布特性的影响，建立界面输运方程，丰富和完善两流体模型，使之可用于海洋条件。.针对上述研究目标，项目组开展了大量试验研究和理论分析工作。先后搭建了竖直向上、竖直向下、倾斜及摇摆四种不同形式的试验回路，并开发了两套光纤探针激光测量系统，自研了多支双传感器、四传感器光学探针。通过对竖直向上向下、倾斜及摇摆条件下不同管径通道内的空气-水两相流动过程进行试验，利用四传感器光纤探针获取了局部时均空泡份额，界面面积浓度(IAC)，界面速度等局部界面参数，建立了IAC等局部参数的试验数据库，并对不同流动条件下界面输运特性及模型关系式进行了研究。.可视化研究和试验数据分析结果表明：大通道中气液两相流动的界面输运过程与常规通道有很大不同，空泡份额、IAC等参数的径向分布较常规通道中的相对要平坦，且“壁峰型”分布难以形成，只有在液相流速太高的情况下，才容易出现“壁峰型”参数分布；相对于向上流动，向下流动中相分布随气流量的变化趋势正好相反，“核峰型”分布难以形成。倾斜条件下“核峰型”分布的中心宽峰向通道上半部分倾斜，倾斜角度越大，峰出现的位置越靠近上壁面。相对于摇摆周期，摇摆幅值对局部界面参数影响要大。局部界面参数随摇摆运动呈周期性变化，且随摇摆周期T或幅值m增加，分布峰值的位置有提前出现的趋势。.基于常规通道提出的Hibiki-Ishii(2002)模型和Ishii(1977)模型关系式能较好预测向上流动时的空泡份额，但对向下流动则存在较大偏差，而基于大通道提出的Hibiki-Ishii(2003)和Kataoka-Ishii(1987)模型对向下流动的空泡份额的预测比较好。在大通道中，推荐采用Hibiki-Ishii(2003)模型计算空泡份额。湍流扩散力、横向升力和壁面力是三个力的共同作用使局部参数形成了“核峰型”、“壁峰型”和“宽峰型”等不同的分布类型。