垂直上升管內(nèi)氣液兩相流可視化研究

垂直上升管內(nèi)氣液兩相流可視化研究

近年來，氣-液相流在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，理論研究也取得了很大進(jìn)展。在化學(xué)工程領(lǐng)域方面,對于兩相流動的研究主要是關(guān)于流型、壓降、傳熱、傳質(zhì)等方面的研究。特別是在微化工技術(shù)中,設(shè)計(jì)和開發(fā)小型結(jié)構(gòu)設(shè)備,例如:小型的接觸設(shè)備,小型反應(yīng)設(shè)備,小型分離設(shè)備以及換熱設(shè)備,正越來越受到各個領(lǐng)域的青睞。小管道由于特征尺度小而具有大的比表面積(兩相比表面積可達(dá)到105m2m-3,),因此在相同的體積下,小尺度管道中所對應(yīng)的傳質(zhì)、傳熱遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)設(shè)備。目前,國內(nèi)外多位學(xué)者對常規(guī)尺度管內(nèi)和管外氣液兩相流型、壓降、含氣率及摩擦系數(shù)等進(jìn)行了大量的研究。但由于受到流體驅(qū)動方式、管道的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)等因素的影響,有關(guān)小通道內(nèi)兩相流流動特性的研究還不是很成熟,且由于小尺度垂直上升管所采集的兩相流特征信號如壓差信號,受到摩擦壓降和重位壓降的復(fù)合影響,研究小尺度垂直上升管內(nèi)氣液兩相流流動的期刊相對要要少的多。本文以垂直管內(nèi)的氣液兩相流為研究對象,采用高速攝像儀采集不同管徑下垂直上升管內(nèi)兩相流的流型信息,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量了實(shí)驗(yàn)段的壓差波動信號以及氣、液兩相的流量電壓信號。1圖像采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)包括3部分,流體控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。流體控制系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、兩相混合器、氣液分離器、水泵、水箱及實(shí)驗(yàn)段組成。液相通過水泵給壓流經(jīng)渦輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)后進(jìn)入兩相混合器,氣相通過空氣壓縮機(jī)升壓后流經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入兩相混合器與液相充分混合后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,進(jìn)行流動圖像采集和壓差信號采集后,進(jìn)入氣液分離器,將空氣分離出來并排入大氣,分離出的水流回水箱循環(huán)利用。圖像采集系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)。照明系統(tǒng)的光源使用6400K色溫的三基色光管,光線明亮無閃爍。高速攝像系統(tǒng)采用瑞士公司研發(fā)的SpeedCamVisario系統(tǒng),其最大分辨率為1536×1024,最大幀頻達(dá)到10000幀/s,能夠清晰的抓拍各種流型的瞬變圖像。在圖像攝取過程中,采用逆光照明,拍攝各種流態(tài)的陰影。為了使光線分布均勻,在光源與實(shí)驗(yàn)段間布置一層硫酸紙。動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有直流穩(wěn)壓電源、壓差變送器、渦輪流量變送器、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集儀組成,具體型號見表1所示。實(shí)驗(yàn)段分別為內(nèi)徑5mm和3mm長度均為560mm透明的有機(jī)圓柱形玻璃管構(gòu)成。在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口兩端進(jìn)行環(huán)狀取壓,以保證測得的數(shù)據(jù)為壓力平均值。先在管道中通入水,待穩(wěn)定后,在管道內(nèi)逐漸增加氣相流量,每完成一次氣液兩相配比后,工況穩(wěn)定后,用高速攝像儀拍攝兩相流流型,記錄氣、液兩側(cè)流量,采集壓差信號。壓差動態(tài)數(shù)據(jù)的采集頻率256Hz,采集時間為8s。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍:空氣壓力0.1MPa-0.3MPa,空氣流量0.025m3/h-2.824m3/h,水流量0.025m3/h-0.706m3/h,實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。2結(jié)果與分析2.1表觀速度對氣彈的影響在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),拍攝到了泡狀流,彈狀流,擾動流,段塞流以及霧狀流5種典型流型圖像。兩種管徑下垂直上升管內(nèi)氣液兩相流型圖像,見圖2所示。泡狀流的特點(diǎn)是小氣泡分散在連續(xù)液相中,氣泡的形狀通常是不規(guī)則的球狀或橢球狀,泡狀流發(fā)生在相對較低的氣速以及相對較高的液速下,由于氣相表觀速度比較低,氣泡的軸向長度一般是小于通道直徑的,如圖2(a1)與圖2(a2)所示。隨著氣相表觀速度的增大,彈狀流發(fā)生。此時逐漸氣泡生長,直到其直徑接近管徑,氣泡軸向長度依然繼續(xù)生長,直到氣泡軸向長度大于徑向長度。Taylor流是分散的細(xì)長氣彈被連續(xù)液彈沿軸向分開,其軸向長度比管徑長,氣彈在相對較低的表觀液速下具有規(guī)則的形狀,主體光滑并且頭尾處接近球狀,如圖2(b1)所示。當(dāng)氣液表觀速度增大,氣彈的形狀像子彈,呈現(xiàn)出頭尖尾平的流動形態(tài),如圖2(b2)所示。表觀液速相對較低增大表觀氣速,氣彈變長直到合并形成擾動流,此時,氣核被液膜環(huán)繞,大幅度波動頻繁出現(xiàn),如圖2(c1)與圖2(c2)所示。在擾動流的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增大表觀氣速,在2個實(shí)驗(yàn)段內(nèi)形成段塞流,如圖2(d1)與圖2(d2)所示。當(dāng)氣體被液體完全打碎并分散于液體中,形成霧狀流。如圖2(e1)與圖2(e2)所示,與段塞流相比,霧狀流下的氣液混合程度大大加強(qiáng),這主要是由于相較于段塞流下氣液流動多為層流,而霧狀流下氣液兩相流動則是湍流主導(dǎo)的緣故。Coleman等利用管徑分別為1.30mm、1.75mm、2.40mm以及5.5mm的一系列圓形截面管進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在他們的實(shí)驗(yàn)中,觀察到的流型有泡狀流、分散流、彈狀流、環(huán)狀流、霧狀流。2.2管表觀氣速圖3所示是關(guān)于兩種尺寸(d1=3mm、d2=5mm)下分別以氣液兩相表觀速度作為橫縱坐標(biāo)所得到的兩相流型圖,在流型圖中,不同的流型以不同的符號表示,各流型間的流型轉(zhuǎn)換邊界以黑色虛線表示。由圖3可得:3mm管和5mm管的流型轉(zhuǎn)換邊界區(qū)域相比,5mm管彈狀流向泡狀流的轉(zhuǎn)換邊界向更低的表觀氣速移動,分析原因是管徑小,管內(nèi)形成泡狀流的氣泡體積越小,而小體積氣泡的形成需要更高的液速;3mm管從彈狀流到擾動流以及從擾動流到霧狀流的轉(zhuǎn)換邊界均向更高的表觀氣速移動,對此趨勢可以給出的解釋是:管徑越小,表面張力作用明顯(因研究對象均為垂直上升管,故此處不考慮重力壓降對流型的影響),越容易形成曲面,氣彈也就越難被破壞。3mm管從段塞流到霧狀流的轉(zhuǎn)換邊界向更高表觀液速移動,分析趨勢原因是:霧狀流是一種混亂的無序的流型,其中的氣體已被液體完全打碎并分布在液體中,而管徑越小,將氣相打散成微小體積的氣泡將需要更多的能量,需要在雷諾數(shù)較高的情況下才能實(shí)現(xiàn),因此,小管徑從段塞流到霧狀流的轉(zhuǎn)換所要求的表觀液速也就越高。圖3(B)同時給出了與Mishima-Ishii模型流型圖的對比。圖中黑色實(shí)線為Mishima-Ishii模型的轉(zhuǎn)換邊界,該模型是管徑為4.5mm垂直管內(nèi)氣液兩相流為研究對象所得。由圖可知,泡狀流、彈狀流和擾動流與Mishima-Ishii模型比較相似,但是段塞流和霧狀流存在明顯差異。存在差異的原因可能是結(jié)構(gòu)尺寸、管徑大小不同以及Mishima-Ishii模型忽略了表面張力造成的。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論Akbar等對現(xiàn)有的截面積為圓形的小尺度通道中的空氣-水兩相流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié),提出以考慮了表面張力和管徑的韋伯?dāng)?shù)(We=U2d1ρ/δ)代替表觀流速繪制流型圖。他們將氣液兩相流型分為表面張力主導(dǎo)區(qū)(泡狀流、彈狀流、擾動流)、慣性力主導(dǎo)區(qū)域1(段塞流區(qū)域)、慣性力主導(dǎo)區(qū)2(霧狀流區(qū)域)以及過渡區(qū)域(彈狀環(huán)狀流區(qū)域)四個區(qū)域,即,這四個區(qū)域所在的區(qū)間可以使用氣液兩相表觀韋伯?dāng)?shù)來進(jìn)行描述,具體的公式如下所示:表面張力主導(dǎo)區(qū)(泡狀流、彈狀流、擾動流):當(dāng)WeL≤3.0時,WeG≤0.1WeL0.315當(dāng)WeL>3.0時,WeG≤1.0慣性力主導(dǎo)區(qū)域1(段塞流區(qū)域):WeG≥11.0WeL0.14以及WeL≤3.0慣性力主導(dǎo)區(qū)2(霧狀流區(qū)域):WeL>3.0以及WeG>1.0把Akbar等的流型轉(zhuǎn)換模型同本實(shí)驗(yàn)3mm管內(nèi)空氣-水兩相流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。流型圖的橫縱坐標(biāo)軸為氣液兩相韋伯?dāng)?shù),圖中字母I表示作者所得數(shù)據(jù),用黑色實(shí)線表示,Akbar等轉(zhuǎn)換模型用黑色虛線表示,具體比較見圖4。由圖4可以看出,本實(shí)驗(yàn)的流型圖表面張力主導(dǎo)區(qū)比Akbar等的流型轉(zhuǎn)換模型的表面張力主導(dǎo)區(qū)域大很多,但本實(shí)驗(yàn)中對于流型區(qū)域的劃分與Akbar等的流型轉(zhuǎn)換模型還是有一定的一致性的,二者都出現(xiàn)了表面張力主導(dǎo)區(qū)域、段塞流區(qū)域以及霧狀流區(qū)域。說明Akbar等的流型轉(zhuǎn)換模型的應(yīng)用還是有很大的局限性,但是在一定程度上還具有參考價值。3兩相流流型及轉(zhuǎn)換邊界本文在內(nèi)徑為3mm和5mm,長度為560mm的透明有機(jī)玻璃管內(nèi)進(jìn)行以空氣-水為工質(zhì)的垂直上升兩相流流動實(shí)驗(yàn),得到了以下結(jié)論:(1)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),拍攝到了泡狀流,彈狀流,擾動流,段塞流和霧狀流5種典型流型圖像。(2)管徑大小對氣液兩相流流型以及流型轉(zhuǎn)換邊界有顯著影響。3mm管較5mm管從彈狀流到泡狀流的流型轉(zhuǎn)換邊界、彈狀流到擾動流以及從擾動流到霧狀流的轉(zhuǎn)換邊界均向更高的表觀氣速移動,從段塞流到霧狀流的轉(zhuǎn)換邊界向更高表觀液速移動。(3)5mm垂直上升管內(nèi)氣液兩相流流型與Mishima-Ishii模型進(jìn)行比較,泡