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两相流动中的界面结构对相间的界面输运和传热非常重要。而截面含气率和界面面积浓度(Interfacial Area Concentration,IAC)是分析两相流热工水力特性的重要几何参数。并且在两流体模型中,IAC表征了相间发生质量、动量和能量有效传输面积的大小,对实际工程应用中的传热传质及热力分析起着重要的作用。 利用光纤探针测量技术获取了竖直管内空气-水两相流动的局部截面含气率、界面面积浓度(IAC)等参数信息。实验选用的圆管直径为100mm和50mm(分别属于大管径和过渡管径范围),首先通过对比分析不同管径内IAC、截面含气率等分布特性,得到了管径的尺度效应对气泡行为的影响规律。通过对比100mm管径内高径比L/D=2与L/D=29轴向位置的IAC、截面含气率、气泡频率等分布特性,发现IAC、截面含气率在L/D=2处呈现核峰分布,在L/D=29处,低气流速时呈现壁峰分布,随着气流速增大转变为核峰分布。 利用获得的IAC、截面含气率实验数据,对现有的IAC、截面含气率计算模型进行了评价和分析,发现Hibiki-Ishii(2002)与Hibiki-Ishii(2003)模型分别能够较好的预测IAC和截面含气率实验结果,误差分别为13.1％、10.1%,并基于Hibiki-Ishii(2002)模型,通过实验数据拟合,得到了计算精度更高的IAC计算关系式。基于截面含气率变密度模型,具体给出了平均IAC与中心截面含气率的关系式。通过与本实验和其他研究者实验数据的比较,表明新关系式具有较高的计算精度。 通过气泡的受力分析,发现升力和湍流扩散力的综合作用决定了气泡的径向运动情况,而且径向IAC的分布主要受升力的影响;当气泡直径大于临界尺寸(5.7mm)后,升力系数改变为负值,使得升力方向指向管道中心,进而导致了IAC分布由壁峰型转变为核峰型。基于Ishii-Kim(2001)界面输运模型,分别对径向、轴向IAC进行了数值计算,并与本实验的IAC数据符合较好。通过分析四种气泡作用机理对IAC的影响,发现工作压力是影响轴向IAC变化的主要因素。