為降低因管道阻力而導(dǎo)致的流體能量損失,實(shí)現(xiàn)流體增速效果,提出了一種主動(dòng)調(diào)壓型微孔壁面管道模型.在該模型中,微孔中的空氣為液相流體提供邊界約束,從而降低其輸運(yùn)阻力.增速效果可以通過(guò)控制微孔中的空氣壓力而調(diào)整.利用流體力學(xué)仿真方法,對(duì)管道內(nèi)的流場(chǎng)特性及增速效果開(kāi)展數(shù)值計(jì)算.結(jié)果表明:與相同條件直管道相比,平均增速比可達(dá)到2%～6%,最高超過(guò)了12%;增速效果在液相入口壓力較低時(shí)更為明顯,并隨著氣相壓力的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì);氣相壓力對(duì)流速的有效調(diào)節(jié)范圍隨液相入口壓力的增大而減小.微孔口氣液界面處呈現(xiàn)小曲率對(duì)稱型彎月面時(shí)可以實(shí)現(xiàn)增速效果,但彎月面呈現(xiàn)非對(duì)稱弧形曲面時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳增速效果的情況也存在. 

【文章來(lái)源】：排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2020,38(02)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

管道模型及其網(wǎng)格示意圖

分別取主管道中距離模型正中央前后150,400μm的平均流速，記這4處的均值為v-．另一方面，將氣相入口替換為光滑壁面，獲得同樣長(zhǎng)度的直管道模型，在相同條件下同樣取這4處平均流速的均值，記為v-"，則增速比可由(v--v-")/v-"計(jì)算獲得．圖2為不同液相入口壓力和氣相壓力條件下的液相流體增速百分比k的結(jié)果．圖中增速比均為正值，平均增速比達(dá)到2.0%～6.0%，最高增速比達(dá)到了12.5%．即使當(dāng)氣相壓力為0，也有可能達(dá)到很高的增速比．這說(shuō)明將部分固體管壁替代為空氣壁面是可以增加流速的．這主要是由于流動(dòng)的液體在氣液界面上的黏附作用要遠(yuǎn)小于在液固界面上的黏附作用[12]．對(duì)于直管道，流體在管壁的黏附作用是導(dǎo)致其動(dòng)能減小的主要原因，而由于空氣壁面對(duì)液相的黏附作用遠(yuǎn)小于固體壁面，因此能有效減小黏附作用，從而使管內(nèi)液相平均流速，尤其是近壁面的流速明顯增大[13-15].對(duì)比圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，液相的入口壓力為0.5 kPa時(shí)，增速效果在4組曲線中能達(dá)到圖中所有曲線的最高值12.5%，而在3.0 kPa時(shí)則僅為2%左右．并且，隨著液相入口壓力p1的增加，這種增速效果依次下降．這說(shuō)明液相在低入口壓力時(shí)增速效果更為明顯，而在高入口壓力時(shí)增速效果則比較有限．原因有兩方面:一是液相入口壓力提高，液相流速增加，與光滑壁面直管道的結(jié)果相類似，其壁面黏附效應(yīng)增強(qiáng)，這顯然會(huì)削弱增速效果;二是壓力和流速較大時(shí)，微孔位置的氣相與液相較難達(dá)到平衡，不容易保持穩(wěn)定的氣液界面，也就難以發(fā)揮減小黏附、增加流速的最佳效果[16]．實(shí)際上，圖中液相入口壓力p1=3.0 kPa的曲線只出現(xiàn)在氣相壓力范圍750～800 Pa內(nèi)的原因也正是由于壓力和流速較大時(shí)難以獲得穩(wěn)定的氣液界面．

局部壓力云圖顯示，壓力等高線位置與氣液界面形態(tài)完美重合，并且在氣液界面處壓力梯度急劇變化．流速矢量圖顯示，氣相與液相在界面處的流速矢量一致，氣體在微孔內(nèi)形成旋渦流．在微孔上游與下游位置，流速變化比較劇烈，壓力云圖上也出現(xiàn)了相應(yīng)的局部高壓和低壓現(xiàn)象．其中，上游位置的壓力和流速變化是由于氣液流體交匯所形成，而下游位置的壓力和流速變化主要是由部分液相流體沖擊微孔口下游壁面導(dǎo)致的．此外，也發(fā)現(xiàn)2類不能實(shí)現(xiàn)有效增速效果的氣液界面．其中一種如圖4a所示，液相入口壓力為2.0 kPa，氣相壓力為459 Pa時(shí)，氣液界面不能保持在微孔口處，而是被推入了微孔內(nèi)．這實(shí)際上是在微孔口處將液液界面替換成了最初的固液界面，因此與最佳的氣液界面相比減阻增速效果并不明顯．另外一種如圖4b所示，相同條件下氣相壓力增大到520 Pa時(shí)，氣液界面不能夠保持平衡，氣體從微孔內(nèi)被擠出，形成間歇性的氣泡．盡管這種情況可能會(huì)形成氣泡流，也可能實(shí)現(xiàn)減阻增速效果[3]，但是由于文中模型的局限性，尚未發(fā)現(xiàn)有類似效果．

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3397252