衰减性气液螺旋环状流界面失稳破碎机理

Decaying swirling annular gas-liquid flow occurs in a wide range of applications such as swirl vane separators for gas-liquid separation, vortex tools for flow pattern modulation and heat exchangers for heat transfer enhancement. When the swirl intensity of gas-liquid phase decays freely in the streamwise direction, the gas-liquid interface in swirling annular flow are easy to break up and many entrained droplets/bubbles are produced which greatly reduces separation efficiency, limits pattern modulation distance and deteriorates heat transfer. However, the interfacial instability and breakup mechanism of decaying swirling annular gas-liquid flow is still not clear. In this project, using high-speed camera and wire mesh sensor, both virtual flow imaging technique and image processing technique will be developed to measure flow pattern evolution and phase distribution of decaying swirling annular flow. Based on the experimental results, the swirl decay law will be initially modeled and a dimensionless parameter will be proposed to described the decay degree of swirl intensity. Afterwards, the effect of swirl decay on the dynamics of interfacial structure and wave movement will be systemically studied and modeled. Finally, the physical mechanisms that lead to interfacial breakup in decaying swirling annular flow will be modeled and clarified, and the entrained droplets/bubble size, mass and dynamics will be quantitatively analyzed. The study in this proposal will provide theoretical support and analytical model for the application and development of decaying swirling annular gas-liquid flow in the related fields.

衰减性螺旋环状流在气液分离、流型调控、强化换热等领域具有重要的应用价值，螺旋环状流衰减过程中界面破碎产生夹带液滴/气泡将显著降低分离效率，限制流型调控距离，导致传热恶化。目前针对衰减性螺旋环状流界面失稳破碎机理的认识十分有限。本项目采用机理实验和理论建模相结合的方法，首先利用高速摄影和丝网探针研究螺旋环状流的衰减特性及流型演变规律，建立旋流衰减模型确定螺旋涡流作用距离；然后发展虚拟流动成像技术和数字图像处理技术研究相界面结构特征及其波动特性，建立界面波运动模型，阐明旋流衰减对界面波运动轨迹及生长过程的作用机制；最后揭示界面失稳破碎产生夹带液滴/气泡机理，查清典型破碎方式及条件，结合旋流衰减模型和界面波运动模型，发展界面破碎产生夹带液滴/气泡的数理模型和数值方法，获得界面失稳的判断准则及液滴/气泡夹带率计算公式。研究成果将为衰减性螺旋环状流的工程应用和发展提供理论支撑和分析模型。

衰减性螺旋环状流具有流动阻力低、传热系数高、分离性能好等优点，在气液分离、物料输送、强化换热、流动安全保障等领域具有重要的应用价值和发展前景。本项目采用机理实验、理论建模和数值模拟相结合的方法，对衰减性螺旋环状流的流型特征及界面行为开展了系统研究。首先，创新设计并开发了高分辨率丝网探针全流道相态分布测量技术和柔性膜状液膜传感器测量技术，获得了起旋器作用下气液螺旋两相流的典型流型、液膜时空分布及其演变规律。其次，基于气液旋流液滴分离形成液膜及螺旋液膜流动反向的动力学行为，构建理论模型阐明了目标流型—螺旋环状流形成及流型转变的动力学机理及条件。再次，基于两相旋流数和角动量守恒定律，建立了气液螺旋两相流旋流衰减机理模型，确定了螺旋流型衰减过程中的有效作用距离。最后，系统分析了螺旋环状流中液膜流动与界面波运动的系统规律，通过考虑离心力和科式力的特殊作用，建立了界面波不稳定性模型和液滴夹带模型，提出了判断准则及预测公式，揭示了螺旋涡流作用下界面失稳产生夹带液滴的动力学机理及条件。研究成果将丰富多相流热物理学科螺旋两相流的基础理论，同时为应用螺旋环状流动技术实现提高分离效率、降低流动阻力、增强换热效率、提高流动安全等工业应用提供理论指导。已发表SCI论文13篇，EI论文6篇，授权国家专利10项（发明专利4项、实用新型6项），登记软件著作权3项。项目负责人2020年被授予上海市巾帼建功标兵称号，2021年荣获中国核能行业协会技术发明二等奖（排2），2022年分别获得中国核能行业协会科技进步一等奖（排10）和中国电力科学技术进步一等奖（排8）。