壁面有气相注入的气液

两相分层流数值模拟

清华大学工程力学系

李明川  崔桂香

一．             算例条件和物理模型

    算例以空气和水为介质，表面张力系数为0.0727N/m，管径D=50.8mm，液面高h=15.7mm，空气平均流速3.52m/s，水平均流速0.303m/s，气体压强为225kPa。忽略气相析出过程，假设气体和液体以不同的速度分别从管道的入口处流入。气相从底部射孔进入并以气泡形式向上运动，穿过液体和界面后同上层气体混合。如图1所示。入口边界条件给定速度剖面，出口为充分发展条件，管壁面为粘附条件。本文采用RNG k-e 湍流模式，应用VOF（Volume of Fluid）方法捕捉界面，并在计算中考虑了重力和液体表面张力和壁面接触角影响。

图1   气液两相分层流计算示意图

 二．网格生成

本文算例的网格是143100个，横截面网格如下图所示，流向有100个网格。壁面第一个网格要大于粘性层的厚度，在这个问题中壁面网格大约是粘性层的4倍，已经满足要求，不需要加密。计算不同液面高度时，在界面处网格加密。

图2 网格划分

三．计算结果

（一）无气泡情况

1．速度分布

图3  管截面上流向速度分布

22.实验值、计算值与经验公式的摩擦系数比较

表1  无气泡时摩擦系数比较

（二）单气泡情况

1．流场

图4 气泡附近的流场 

2．气泡上升过程

  t=0.16s

  t=0.15s

  t=0.14s

  t=0.13s

  t=0.12s

  t=0.11s

图5 气泡上升过程及界面形状 

（三）多孔多气泡情况

1．流场

图6 多气泡情况下流场情况

2．界面摩擦系数

图7  五孔连续注入情况下界面摩擦系数的比较

（曲线1有气相通过界面，曲线2界面上无气泡通过）