微重力下弯管内流体流动特性研究

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微重力下空间流体管理问题一直是流体力学研究的热点问题之一。航空航天领域提供电力的质子交换膜燃料电池,其外部管路系统中燃料和氧化剂的流动特性因其对电池发电性能有重大影响越来越受到重视。因此,深入研究空间管路系统中流体流动特性,明确流体流动状态以及流场、压力场、速度场分布等对空间燃料电池性能效率提高具有重要意义。  本文主要研究了微重力及常重力环境下弯管内流体流动特性和流场结构特点,以及不同初始速度、管路截面直径等对两相流型的影响和弯管结构对二次流截面参数特性影响。  (1)数值研究了不同重力环境下90°弯管内两相流流动特性。研究结果表明:重力水平提高使管内浮力效应增强,流型发生变化,90°弯管内气相轴向空隙率峰值增大且趋向于弯管中心方向移动,气液两相滑速比呈增大趋势,气相单元流入弯管时尾部斜向角逐渐增大,流出弯管时斜向角减小至尾部变平缓,在90°弯管中心位置附近,最大斜向角最大。随着重力水平提高,气相尾部最大斜向角呈减小趋势。  (2)数值研究了气液两相不同初始速度和管径下90°弯管内两相流流动特性。研究结果表明:当管路管径不变,气相流量增大时,气相流型特征长度增长,气相轴向空隙率相应增大;当入口流速不变,管路特征直径减小时,气相流型特征长度明显减小,气泡流动分布均匀,气相尾部最大斜向角随重力水平增大而减小。  (3)数值研究了弯管结构对二次流截面参数流动特性。研究结果表明:曲率弯管结构是产生二次流的主要因素。流体进入弯管过程,涡心至内侧壁距离逐渐减小,流出弯管过程,涡心至内侧壁距离逐渐增大;弯管φ=60°截面后,二次流作用增强,沿壁面流体流速增大;当提高入口速度时,流体受到离心力作用增强,涡心位置变化幅度越大。
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