基于2D-PIV和SPOD的T型混合流振荡机理分析

【作者】 栾頔； 王鹏； 何创新； 刘应征； 彭迪； 蔡涛；

【机构】 上海交通大学机械与动力工程学院； 上海交通大学燃气轮机研究院；

【摘要】 T型混合流在工业领域中广泛存在,其流动特性对传热传质效率有重要影响;当主支流间具有明显温度差时,T型混合流的掺混行为会直接影响管网安全性。具有温度差的流体在T型管交汇时常伴有热分层现象和周期性振荡,这些现象可能导致管壁热疲劳甚至失效,引发重大事故。因此,深入研究T型混合流的振荡机制,对于优化工程设计、确保系统安全至关重要。本研究旨在通过实验手段揭示T型混合流中主/支流流速比及温差对流动振荡特性的影响规律和动力学机制,为工业应用提供理论支持。借助2D-PIV和SPOD方法,本研究探究了T型混合流中主流与支流不同流速比(Vr=1.5、2.0、3.0、3.5)和不同温差(ΔT=0℃、30℃)下的流动特性。实验结果表明,T型管下游X/D=0.5-2.5区域存在显著的宽频振荡,其动力学机制源于回流区与主流相互作用、界面速度梯度引发的剪切层不稳定性、支流涡旋脱落及流场能量重新分配。SPOD分析确定振荡主频率斯特劳哈尔数范围St=0.13-0.36,且振荡在Y方向最为强烈。增加支流与主流流速比会扩大振荡区域并放大振幅;增大主支流温差使振荡区域缩小但振幅增大,这主要是由于流体黏度的变化。具体而言,当冷流(支流)与热流(主流)在T型管交汇时,冷流涡旋脱落是界面周期性振荡的主要诱因。在回流区与主流交界处,速度差引起的剪切力加剧了界面不稳定性,使振荡增强。此外,在下游区域还观察到显著的X方向振荡,主要与流体重新分布和涡旋形成相关。本研究通过实验揭示了T型混合流中振荡的成因及主支流进口条件对振荡特性的影响,为工业应用中提升混合效率并抑制振荡提供了重要理论依据。研究结果表明,适当增大温差(ΔT)可有效抑制流体振荡,而增大支流与主流流速比(Vr)则会扩大振荡区域并放大振幅。本研究深化了对T型混合流物理过程的理解,并为相关工程领域的设计优化和安全运行提供了理论支持。更多还原