雾环状流涡街稳定性与测量机理研究

Mist annular flow exists widely in industrial production and daily life, and its accurate measurement and control concerns the fiscal metering and energy saving in industrial production. Vortex flowmeter plays an important role in most flow metering, yet the versatility of over-reading with inlet parameters based on the experimental data is poor and we figure out that it is the detailed flow distribution that affects the metering accuracy of vortex flowmeter in mist annular flow. Aiming at the metering mechanism of vortex street, the combined light extinction granulometer, liquid film collection and conductivity film thickness measurement technology with numerical simulation technology would be applied based on fluid mechanics theory, and the vortex street stability and its over-reading in mist annular flow would be studied systematically combined with the experimental data of wet steam and wet gas flow. The highlights are as follows: on one hand, propose the particle-vortex two-way coupling mechanism, and develop the two-fluid CFD model and particle tracking method to study the droplet dispersion, preferential concentration, acceleration and rotation, then analyze the droplet effect on the vortex flow field and stability from both the wake topology and vortex street signal. On the other hand, with the correlative mechanism of vortex flow field with external macro parameter as a breakthrough, establish the correlation of vortex-street over-reading and give out the judgment of vortex street stability. The project would serve the metering and process control of mist annular flow, and promote the theoretical study of particle-laden two-phase vortex street dynamics.

雾环状流广泛存在于工业生产和日常生活中，对其准确计量和控制关系到贸易结算和工业生产的降耗节能。多数场合涡街流量计是重要计量手段，但实验为基础的入口参数过读修正不具通用性，本团队发现流场的分布细节才是影响计量的决定因素。本申请针对雾环状流下涡街的测量机理，以流体力学理论为基础，结合消光法粒度测量、液膜收集与电导液膜测厚技术与数值分析方法，并依据湿蒸汽和湿气实流数据，系统研究雾环状绕流两相涡街的稳定性和过读问题。一方面提出液滴-涡列双向耦合机理，构建CFD双流体数值模型和粒子追踪模型，研究旋涡场中颗粒的分散、团聚、加速、旋转等细节行为，并从尾迹拓扑和涡街信号双角度研究液滴对涡街流场和稳定性的影响；另一方面以涡街细节流场-外部宏观参数关联机制为突破口，从机理层面建立涡街过读关联式，建立雾环状流涡街稳定性判据。目标是服务于雾环状流的计量与工业过程的控制，并促进载颗粒流两相涡街动力学的理论研究。

为解决雾环状两相涡街中“失稳机理与表征”和“计量过读与液相影响机制”等关键问题，本项目首先建立了雾环状流参数测量显示与涡街实验平台，设计了液膜收集计量装置、电导液膜测厚传感器以及消光法粒度测量仪，并提出了抗振型三轴加速度探头，获得了液滴、液膜等复杂流动参数以及多模态涡街信号，为雾环状流形成演化对涡街尾迹的影响研究提供丰富流场数据。针对“液滴-涡列耦合”作用，分析并提炼了主影响尺度参数，建立了气液双流体Euler模型和DPM粒子追踪模型，研究了液滴在涡街近尾迹的复杂行为及分散机制，系统分析了液滴行为对两相涡场和涡街形成的影响，建立了斯特劳哈儿数物理模型并揭示了液滴对涡街频率特性的影响机制以及流场特征参数：剪切层耗散厚度和滞止区长度。然后，从低频调制作用、涡信号周期稳定性及猝发特性等入手，分析并提炼了表征涡街失稳的参数及条件，并提出了小波脊平均频率提取方法以及结合扰动波频特性的分段频率提取方法，提高了涡信号特征提取精度和可靠性。针对两相涡街失稳机制，基于绝对/对流不稳定理论推导了颗粒两相Orr-Sommerfeld稳定性方程，结合绝对不稳定区分布以及整体稳定性判定准则，揭示了液滴引起涡街失稳的作用机理。针对过读数据不一致问题，结合环状流夹带理论进行综合数据分析，确认了夹带液滴质量加载量对于涡街过读的主影响作用。在此基础上首次考虑了液滴夹带条件的差异，结合两相涡量输运机制建立了广泛适用的涡街雾环状流过读预测公式，并进行了CFD仿真和实验验证。为提高两相涡街计量精度，提出了结合仪表附加信息的过读补偿与湿气流量在线测量方法，并提出了基于电导-涡街双模检测的涡街过读补偿和分相流量测量方法，有效提高了两相涡街计量精度和可靠性。本项目研究内容按计划进行，取得了相应的研究成果，发表SCI论文7篇，EI论文21篇，授权发明专利9项，为实现涡街湿气流量在线精确测量奠定了良好基础。