复杂截面螺旋槽道内高速液膜流动及分布特性研究

As a new energy saving technology, single screw expander can be widely used in industrial energy saving and renewable energy utilization. The research and development of single screw expander has attracted great attention from scholars. However, there are still focused on the processing and performance of expander at present. The study on the liquid film flow and distribution characteristics of leakage clearance is obviously insufficient, which is the critical factor affecting the efficiency of expander. In this project, the flow and distribution characteristics of high velocity liquid film in helical channel with complicated sections are proposed. Firstly, the flow field, liquid holdup and phase surface feature at the different locations of helical channel are numerical obtained. The inherent relation between the sectional liquid holdup and film thickness in the flow process is researched. The variation law of liquid film thickness with various structure parameters and working conditions is established. Secondly, the phase interface feature and liquid film thickness at different locations are experimental visualized. The effects of structure parameters and gas/liquid flow rate on interfacial fluctuation characteristics and liquid film thickness are obtained. Finally, the conductivity measurement is used to obtain the influence of structure parameters and gas/liquid flow rate on liquid film thickness. Based on the all data, a calculation model of liquid film thickness in helical channel with complicated section is established.

单螺杆膨胀机作为一种节能新技术，在工业节能、可再生能源利用中有广泛的用途。关于它的研究开发得到了国内外学者的高度重视，但目前仍侧重于膨胀机的加工和性能研究，对螺旋槽道泄露间隙的液膜流动及分布特性研究相对缺乏，而这正是影响膨胀机效率的关键因素。本项目提出对复杂截面螺旋槽道内高速液膜流动及分布特性开展研究。首先数值得到高速液膜流动过程中，螺旋槽道不同位置的流场分布、截面含液率及相界面特征。探索流动过程中截面含液率和液膜厚度之间的内在联系，建立液膜厚度随槽道结构参数和运行工况的变化规律。其次可视化揭示螺旋槽道不同位置的相界面特征和液膜厚度分布，获得槽道结构参数、气/液相流量对相界面特征和液膜厚度的影响规律。最后电导测量槽道结构参数、气/液相流量对液膜厚度的影响规律。在此基础上，建立描述复杂截面螺旋槽道内液膜厚度的计算模型。本项目的研究结果将为优化槽道结构，提高膨胀机效率提供必要的理论支撑。

单螺杆膨胀机作为一种节能新技术，在工业节能、可再生能源利用等领域具有广阔的应用前景。单螺杆膨胀机的研发侧重于膨胀机的加工和性能研究，而如何有效调控膨胀机螺旋槽道内液相流动、相界面特征及液膜厚度，是避免高压气体向低压区域漏泄损失，保证单螺杆膨胀机高效稳定运行的关键，相关研究存在明显的数据缺乏、理论不足。本项目采用数值模拟、实验研究和理论分析相结合的方法，对高流速液膜在膨胀机螺旋槽道内的流动及分布特性开展了具体研究。基于VOF多相流计算模型，揭示了液膜在螺旋槽道内的流动过程及相界面特征演变规律，阐明了相间作用力诱导相界面特征产生变化的机理，给出了槽道结构参数、气/液相流量对螺旋槽道内气液两相界面特征、截面含液率及液膜厚度的影响规律，建立了螺旋槽道截面含液率和液膜厚度之间的内在关系。基于可视化实验和数字化特征提取技术，获得了不同位置液膜厚度时空分布特征，电导测量了瞬时液膜局部动态特性，理论分析了槽道结构参数、气/液相流量对界面结构特征和液膜厚度的影响规律，建立了液膜厚度随槽道结构参数和运行工况的变化规律，揭示了瞬时液膜厚度时空演变规律。揭示了不同转角位置液膜作用力的变化规律，阐明了槽道结构参数调控相界面特征变化和液膜厚度分布的作用机制，建立了螺旋槽道内液膜厚度和液膜波动性的内在关系。此外，本项目还对油气两相工质相间表面张力、润滑油粘度、液相入射角度对螺旋槽道内液膜厚度分布及演变特性进行了拓展性探究，揭示了流体物性参数对液膜分布及运动特性的影响规律，给出了实现优化液膜厚度分布的关键可调控参数。基于概率密度函数分布，阐明了槽道结构参数对瞬时液膜波动性的影响规律，评价了螺旋槽道结构参数对液膜厚度分布均匀度的影响规律。相关研究成果对优化螺旋槽道结构设计，有效调控螺旋槽道内液膜流动及分布规律，进而提高单螺杆膨胀机的工作效率提供了必要的理论支撑。