Euler-Lagrangeモデルに基づく気液二相流の多次元構造の解明

基于欧拉-拉格朗日模型阐明气液两相流的多维结构

基本信息

批准号：
12750139
负责人：
大川富雄
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

気泡流の多次元構造を数値計算により正確に予測するため、鉛直管内乱流場中の気泡挙動を扱った既存の実験データを収集し、解析に必要となる構成式を整備した。これらの構成式を別途開発したEuler-Lagrangeモデル1こ基づく解析プログラムに組込み、その妥当性を検証した。この結果、従来のモデルでは予測不能であった、流速の高い領域における気泡流の多次元構造を正確に予測することに成功した。また、気泡挙動に関する物理的考察に基づいて気泡間相互作用を記述する構成式を開発し、多次元ボイド分布を解析することによりその有効性を検証した。しかしながら、既存のデータには不足している部分もあり、解析に使用した構成式の一般性は明らかでない部分も残されていた。そこで、鉛直円管内乱流場における単一気泡の挙動を二台の高速度ビデオカメラにより観察し、気泡挙動に及ぼす液中乱れの影響および壁近くに形成される急峻な速度勾配の影響を検討した。通常、気泡の上昇速度は常に液相よりも速いと考えられているが、これらの実験結果によれば、液中乱れおよび壁近くの速度勾配は、気泡の上昇速度を減少させる効果をもち、液速度が十分に速い場合には壁の近くにおいて気液の上昇速度が逆転する場合のあることを解明した。これらの実験結果に基づき、Euler-Lagrangeモデルで用いた構成式のさらなる改良を行った。また、これらの実験には、沸騰二相流における気泡挙動を明らかにすることが重要である。そこで、加熱面離脱時およびその後の蒸気泡の挙動を観察し、空気泡の場合との相違を調べた。この結果、空気泡は液中の汚れの影響によって様々振舞いを呈するが、蒸気泡の挙動は十分に汚れた系における空気泡の振舞いに類似していることを明らかにした。このことにより、水・蒸気二相流を解析する場合に使用すべき構成式を一意に定めることが可能となった。

为了通过数值计算准确预测气泡流的多维结构，我们收集了垂直管道湍流流场中气泡行为的现有实验数据，并建立了分析所需的本构方程。这些本构方程被纳入基于单独开发的欧拉-拉格朗日模型1的分析程序中，并验证了其有效性。结果，我们成功地准确预测了高流速区域中气泡流的多维结构，这是使用传统模型无法预测的。此外，我们基于气泡行为的物理考虑，开发了一个描述气泡之间相互作用的本构方程，并通过分析多维空隙分布验证了其有效性。然而，现有数据存在一些空白，分析中使用的本构方程的通用性仍不清楚。因此，我们使用两台高速摄像机观察了垂直圆管内湍流流场中单个气泡的行为，并研究了液体中的湍流和靠近壁面形成的陡峭速度梯度对气泡行为的影响。做过。通常认为气泡的上升速度总是快于液相的上升速度，但根据这些实验结果，液体中的湍流和壁面附近的速度梯度具有降低气泡上升速度的作用。发现当液体速度足够高时，气体和液体的上升速度可能在壁面附近逆转。基于这些实验结果，我们进一步改进了欧拉-拉格朗日模型中使用的本构方程。此外，对于这些实验，澄清沸腾两相流中的气泡行为非常重要。因此，我们观察了蒸汽气泡在与加热表面分离期间和分离之后的行为，并研究了与气泡情况的差异。结果表明，根据液体中污垢的影响，气泡表现出各种行为，但蒸汽泡的行为与充分污染的系统中的气泡行为相似。这使得可以唯一地定义分析两相水/蒸汽流时使用的本构方程。