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《北京理工大学》 2016年
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油气两相流流变特性研究

罗先伟  
【摘要】:润滑系统是机械传动中必不可少的组成部分,润滑系统的润滑特性与润滑油的特性有很大的关系。润滑系统在工作时,由于搅拌和空化作用,润滑油中会不可避免地混入气泡行成油气两相流。气泡的存在会对油液的性质产生很大的影响,比如压缩性和粘度,从而会影响润滑油的润滑特性。因此对油气两相流中气泡的特性以及油气两相流流变特性的研究至关重要。本文针对油气两相流,对气泡的演变规律、尺寸分布、变形以及油气两相流的流变特性展开了研究。论文首先在瑞利方程的基础上,结合亨利定律和菲克扩散定律建立了考虑气体溶解时气泡的动态演变方程。基于气泡表面受力平衡建立了气泡稳态半径与液体压力的一元三次关系式,并结合卡尔丹公式求解该关系式得到了气泡稳态半径与液体压力关系的解析表达式。利用相同的方法,建立了考虑溶解时气泡稳态半径与液体压力的关系,并对其进行求解得到了相应的解析表达式。搭建相关实验台,对气泡稳态半径与液体压力关系的解析表达式进行了实验验证,得到了良好的结果。对不同含气率下油气两相流中气泡的尺寸分布规律进行了测量统计与分析,气泡的尺寸分布近似符合对数正态分布。在此基础上对气泡的平均半径进行了相应的计算,含气率对气泡的尺寸分布和平均半径影响较小。结合气泡半径与压力的关系式研究了油气两相流寒气率随液体压力的变化规律。结合流体动力学,论文分析了气泡在剪切流场中的变形以及气泡对两相流粘度的影响。气泡变形主要受剪切率、气泡半径和气液界面张力的影响,剪切力与界面张力的比值为毛细数,毛细数较小时气泡变形量也较小且近似等于毛细数,毛细数较大时,气泡变形量时毛细数的指数函数。气泡对两相流粘度的影响与气泡的变形量有关,油气两相的粘度随气泡变形量的增大先减小然后逐渐趋于稳定。
【关键词】:油气两相流 气泡半径 尺寸分布 气泡变形 流变特性
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH117.2;O359.1
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-11
  • 第1章 绪论11-23
  • 1.1 课题背景及意义11-12
  • 1.2 国内外研究现状12-22
  • 1.2.1 两相流流变特性理论研究现状12-15
  • 1.2.2 两相流流变特性试验研究现状15-22
  • 1.3 本文的主要研究内容22-23
  • 第2章 油气两相流气泡半径演变规律23-48
  • 2.1 气泡动力学方程24-32
  • 2.1.1 Rayleigh-Plesset方程24-26
  • 2.1.2 亨利定律26-27
  • 2.1.3 菲克扩散定律27
  • 2.1.4 考虑气体扩散的气泡动力学方程27-30
  • 2.1.5 数值求解对比30-32
  • 2.2 压力对气泡稳态半径的影响32-44
  • 2.2.1 气泡半径与液体压力的关系32-37
  • 2.2.2 解析解的正确性37-38
  • 2.2.3 考虑气体扩散时气泡半径与压力的关系38-44
  • 2.3 温度对气泡稳态半径的影响44-46
  • 2.3.1 气液界面张力45
  • 2.3.2 界面张力与压力温度的关系45
  • 2.3.3 气泡半径与温度的关系45-46
  • 2.4 本章小结46-48
  • 第3章 油气两相流气泡尺寸分布规律48-82
  • 3.1 气泡尺寸分布试验48-54
  • 3.1.1 实验方法分析48-49
  • 3.1.2 实验方案总体方案49-51
  • 3.1.3 图像处理51-54
  • 3.2 气泡半径与压力的关系的实验验证54-69
  • 3.2.1 初始半径为 0.01mm的气泡半径随液体压力的变化55-58
  • 3.2.2 初始半径为 0.26mm的气泡半径随液体压力的变化58-61
  • 3.2.3 初始半径为 0.5mm的气泡半径随液体压力的变化61-65
  • 3.2.4 初始半径为 3mm的气泡半径随液体压力的变化65-68
  • 3.2.5 结果分析68-69
  • 3.3 气泡尺寸分布的规律统计函数69-76
  • 3.3.1 含气率为 0.34%的气泡尺寸分布69-72
  • 3.3.2 含气率为 2.7%的气泡尺寸分布72-73
  • 3.3.3 含气率为 12.74%的气泡尺寸分布73-75
  • 3.3.4 结果分析75-76
  • 3.4 含气率随压力变化规律76-79
  • 3.5 气泡半径的平均值79-81
  • 3.6 本章小结81-82
  • 第4章 气泡变形与油气两相流流变特性82-97
  • 4.1 气泡的变形82-91
  • 4.1.1 气泡小变形83-88
  • 4.1.2 气泡大变形88-91
  • 4.2 气泡变形对油气两相流粘度的影响91-93
  • 4.3 油气两相流流变特性实验研究93-96
  • 4.3.1 实验设备与原理93-94
  • 4.3.2 实验与理论对比94-96
  • 4.4 本章小结96-97
  • 结论97-100
  • 1 本文主要结论97-98
  • 2 论文的创新点98
  • 3 后续工作展望98-100
  • 参考文献100-105
  • 攻读学位期间发表论文与研究成果清单105-106
  • 致谢106

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