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地预测气泡流的多维结构，已经收集了垂直管道中湍流场中与气泡行为的现有实验数据，并准备了分析所需的本构方程。这些本构方程将基于Euler-Lagrange模型1分别开发的分析程序纳入了分析程序，并验证了它们的有效性。结果，它已经成功地准确预测了高流量区域气泡流的多维结构，这是传统模型无法预测的。此外，根据对气泡行为的物理考虑，开发了描述气泡之间相互作用的组成方程，并通过分析多维空隙分布来验证其有效性。但是，缺乏现有数据的某些部分，并且某些部分仍然认为分析中使用的本构方程的一般性尚不清楚。因此，使用两个高速摄像机观察到垂直圆管中湍流场中单个气泡的行为，并研究了液体湍流对气泡行为的影响以及在壁附近形成的陡峭速度梯度的影响。通常，人们认为气泡的上升速度总是比液相更快，但是这些实验结果表明，墙壁附近的液体湍流和速度梯度的作用可以降低气泡的上升速度，并且当液体速度足够高时，壁的上升速度可能会倒在壁附近。基于这些实验结果，对Euler-Lagrange模型中使用的本构方程进行了进一步的改进。此外，对于这些实验而言，重要的是阐明沸腾的两相流中的气泡行为。因此，去除加热表面期间和之后的蒸汽气泡的行为，并检查了气泡之间的差异。这表明，尽管气泡在液体中的影响而行为不同，但蒸汽气泡的行为类似于犯错的系统中气泡的行为。这使得在分析两相水/蒸气流时可以唯一定义要使用的本构方程。