矩形通道內(nèi)氣液兩相流流型研究

矩形通道內(nèi)氣液兩相流流型研究

0流型及流型識別在動(dòng)力工程、石油、原子能利用等領(lǐng)域，氣、液兩相流的流動(dòng)現(xiàn)象普遍存在。例如，當(dāng)容量較大時(shí)，例如器械器、檢測器和核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器。管束間的氣液兩相流型對其繞流流動(dòng)特性和傳熱規(guī)律有著重要的影響,尤其是動(dòng)力、原子能工業(yè)的飛速發(fā)展,大容量高參數(shù)設(shè)備的引入,促使設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊,對換熱器的綜合性能提出了更高的要求。這類問題的研究已經(jīng)成為多相流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。目前國內(nèi)外多位學(xué)者對管內(nèi)氣液兩相流型、壓降、含氣率及摩擦系數(shù)等進(jìn)行了大量研究,而對氣液兩相流體橫掠管束流動(dòng)特性的相關(guān)研究較少。Noghrehkar等利用探針法研究了空氣-水混合物垂直橫掠節(jié)距比為1.47的水平順列和錯(cuò)列管束時(shí)的流型和含氣率特性;Ulbrich等采用高速攝影機(jī)對空氣-水垂直掠過節(jié)距比為1.5的殼側(cè)水平管束壓降軌跡和流型進(jìn)行觀察,得出流型圖。賈峰等對垂直向上橫掠水平光滑管束流動(dòng)沸騰的兩相流型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并對壓差波動(dòng)信號進(jìn)行功率譜分析識別流型。此外,在流型識別方面,周云龍、孫斌等對管內(nèi)氣液兩相流壓差波動(dòng)信號進(jìn)行混沌特性分析,重點(diǎn)應(yīng)用HURST指數(shù)及功率譜解釋兩相流流動(dòng)變化,取得了較好的效果。白博峰等對U形管垂直上升段空氣–水兩相流壓差波動(dòng)研究,得出了壓差波動(dòng)的分維數(shù)。然而,針對不同節(jié)距比管束間氣液兩相流型、壓降特性及流型識別方面的研究還很少。本文采用高速數(shù)字?jǐn)z像儀采集分析了2種順列管束的流型信息,通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量了不同流型時(shí)管束前后的壓差波動(dòng)信號,并對管束間氣液兩相流型及壓降特性進(jìn)行了研究。1圖像采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是在空氣-水兩相流系統(tǒng)上完成的。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置包括3部分,流體控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。流體控制系統(tǒng)有空氣壓縮機(jī)、兩相混合器、旋風(fēng)分離器、水泵、水箱及實(shí)驗(yàn)段組成。水由水泵抽出經(jīng)電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入混合器?？諝饨?jīng)空氣壓縮機(jī)和氣體孔板流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入混合器。從混合器流出的氣水混合物,流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段,進(jìn)行流動(dòng)圖像采集和壓差信號采集后進(jìn)入旋風(fēng)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)。由于高速攝影機(jī)對光線的亮度有較高的要求,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。由于兩相流流動(dòng)變化復(fù)雜,高速攝影系統(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)段間布置兩層硫酸紙。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有恒壓直流電源、壓差變送器和數(shù)據(jù)采集儀組成。采集儀為IDTS–4516U型16通道數(shù)據(jù)采集儀。壓差變送器為Rosemount3051S電容式差壓變送器,測量精度0.05%。實(shí)驗(yàn)中壓差動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集頻率256Hz,采集時(shí)間為8s。圖2為實(shí)驗(yàn)測試段的管束布置。測試段是由厚10mm的有機(jī)玻璃板制成的長為700mm,截面為180mm×65mm的矩形通道,分別布置節(jié)距比P/D為1.3和1.8的10×4和10×6兩種管束。管直徑20mm,長65mm,管束采用順列布置。實(shí)驗(yàn)中,先調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥,將水流量調(diào)到某一流量,再通過調(diào)節(jié)氣體流量改變流經(jīng)試驗(yàn)段的總流量和含氣率,重復(fù)上述步驟直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。本文拍攝圖像的大小為1536×1024,幀頻為1000幀/s。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍:溫度10~25℃,壓力0.1~0.3MPa,氣流量0.01~48m3/h,水流量2~15m3/h。2結(jié)果與分析2.1氣相算速對氣團(tuán)流動(dòng)過程的影響在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),拍攝到了泡狀流、間歇流、霧狀流3種典型流型圖像。如圖3所示。定義某相的折算速度是該相的體積流量與通道截面積的比值,uSG為氣相折算速度,uSL為液相折算速度。泡狀流發(fā)生在液相折算速度較高且氣相折算速度較低的情況下(uSG<(0.08~0.4)m/s),氣相以分散氣泡的形式近似均勻的分散在連續(xù)液相中,氣泡尺寸非常小,近似球形或橢球形,此時(shí)氣泡幾乎不受管束位置的影響。隨著氣相折算速度的增加,氣泡在向上流動(dòng)過程中無規(guī)則運(yùn)動(dòng),氣泡相互碰撞結(jié)合成大的氣團(tuán),大的氣團(tuán)包圍一個(gè)或多個(gè)圓柱,不均勻地分布在液相中形成間歇流,此時(shí)氣泡和氣團(tuán)共存。間歇流動(dòng)過程中,氣團(tuán)周圍的小氣泡,被卷吸到氣團(tuán)中形成更大的氣團(tuán),繼而大的氣團(tuán)被下游的圓柱擠變分散成小的氣團(tuán)或氣泡,流動(dòng)過程如圖4所示。霧狀流在氣相折算速度較高(uSG>0.7m/s)時(shí)發(fā)生,此時(shí)除了小部分液體粘在管壁或在管束表面形成一層液膜,大部分液體以液滴方式隨氣流一起流動(dòng)。當(dāng)氣相折算速度足夠高時(shí),管束表面液膜脫落。在小節(jié)距管束中發(fā)現(xiàn)管束與管束之間偶爾會(huì)有流橋出現(xiàn),隨氣相折算速度增加,流橋斷裂。2.2分離流型的發(fā)生圖5為2種管束基于氣相折算速度和液相折算速度建立的流型圖。由圖可以看出,泡狀流發(fā)生在氣相折算流速較低(uSG<0.36~0.9m/s)時(shí),間歇流則發(fā)生在氣相折算速度為0.4m/s到1.0m/s范圍內(nèi),此區(qū)域內(nèi)流型與液相折算速度無關(guān)。在氣相折算速度大于0.7m/s且液相折算速度小于0.3m/s的區(qū)域內(nèi)形成霧狀流。當(dāng)氣相折算速度增大(uSG>0.4m/s)時(shí),隨著uSL的減小,依次出現(xiàn)泡狀流、間歇流、霧狀流。泡狀流到間歇流的過渡流態(tài)發(fā)生在uSG從0.36m/s到0.9m/s,uSL從0.05m/s到0.36m/s的區(qū)域。圖5同時(shí)給出了與前人所繪流型圖的比較。圖中點(diǎn)劃線和虛線所示流型圖分別是由Ulbrich和Noghrehkar通過研究節(jié)距比為1.5的10×5和24×5順列管束所得。發(fā)生泡狀流的氣相折算速度和液相折算速度范圍與Ulbrich流型圖相似,存在于高液相折算流速區(qū)。此時(shí)液相慣性力和剪切力能夠克服表面張力并打破氣液界面形成小氣泡,隨著氣相折算速度的增加,相間速度差減小,沿流動(dòng)方向慣性力不足以有效地形成小氣泡,剪切力卻能夠粉碎大的氣泡。間歇流和霧狀流的發(fā)生區(qū)域存在明顯差異。與Noghrehkar流型圖相比,發(fā)生泡狀流的氣相折算速度和液相折算速度范圍相似,而發(fā)生間歇流的液相折算區(qū)域較大,從0.05到1.0m/s,氣相折算速度從0.4~3.9m/s,在uSG>3.9m/s時(shí)轉(zhuǎn)化為霧狀流。存在差異的原因是結(jié)構(gòu)尺寸、管束直徑以及管間距不同造成的。2.3含氣率的影響實(shí)驗(yàn)采集了2種節(jié)距比的順列管束兩端的壓差波動(dòng)信號。2種節(jié)距比管束間的不同流型對應(yīng)的壓差信號不同,流過2種管束間不同流型的壓降如圖6所示。實(shí)驗(yàn)測得含氣率在0.15~0.67之間時(shí),2種管束間泡狀流壓降最大,間歇流次之,霧狀流壓降最小。原因在于低質(zhì)量流速垂直向上流動(dòng)過程中,含氣率在0.15~0.67范圍內(nèi)兩相壓降幾乎由重力壓降決定(忽略加速壓降),而重力壓降的大小與含氣率有密切關(guān)系,含氣率小,重力壓降大。泡狀流的含氣率最小,所以壓降最大,間歇流壓降次之,霧狀流最小。P/D=1.8管束的壓降大于P/D=1.3管束的壓降。節(jié)距比小時(shí),管束密集,氣液兩相流體擾動(dòng)強(qiáng)烈,管束與管束間的相互干擾增強(qiáng),下游圓柱的旋渦強(qiáng)度大大降低,上游圓柱的旋渦被抑制,導(dǎo)致阻力系數(shù)減小,壓降小。實(shí)驗(yàn)測得在含氣率小于0.15和大于0.67時(shí),即流動(dòng)分別接近于純液相和純氣相的情況下,P/D=1.8管束的壓降反而小于P/D=1.3管束的壓降。流體近似單相流體繞流管束,此時(shí)壓降主要由摩擦阻力產(chǎn)生,小節(jié)距比管束密,管束多,總摩擦阻力大,產(chǎn)生壓降大。2.4功率譜密度分析兩相流的壓差波動(dòng)過程包含了關(guān)于流動(dòng)的大量信息,壓差波動(dòng)信號能夠客觀的提供與流型有關(guān)的大量信息,因而可以對不同流型的壓差信號統(tǒng)計(jì)分析,研究流型特性。由于壓差波動(dòng)過程是非平穩(wěn)和非線性的過程,所以壓差信號為隨機(jī)信號,可以采集某一時(shí)間段內(nèi)的樣本信號,計(jì)算得出反映隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特性。功率譜函數(shù)就是將原來對時(shí)間域的信號描述轉(zhuǎn)化為頻率域的信號描述,它反映了隨機(jī)過程統(tǒng)計(jì)參量在各個(gè)頻率域上波動(dòng)能量的概率分布,是描述波動(dòng)信號頻域特征的簡單有效的方法。由于采集到的壓差信號混有各種噪聲,故分析之前對其預(yù)處理。本文采用切比雪夫最佳逼近理論對信號進(jìn)行低通濾波,用改進(jìn)的Welch平均周期圖法對濾波信號功率譜分析,并采用Hanning函數(shù),保證所得功率譜是原信號的漸進(jìn)無偏估計(jì)。圖7和圖8為典型壓差波動(dòng)信號及其對應(yīng)的功率譜密度分析,存在有以下規(guī)律:1)泡狀流壓差幅值小,波動(dòng)能量最小,具有較大功率的信號頻率范圍較寬,分布在0~6Hz內(nèi),且1Hz以后呈雙峰分布。該區(qū)影響壓差波動(dòng)的根本原因在于氣泡運(yùn)動(dòng)對流場的擾動(dòng),以及壁面和管束誘導(dǎo)氣泡產(chǎn)生的流場湍動(dòng),這些因素導(dǎo)致的波動(dòng)幅度低。2)間歇流動(dòng),波動(dòng)能量隨折算氣速增加而增加。此時(shí)液體和氣團(tuán)交替經(jīng)過管束,引起流動(dòng)壓降,尤其是重力壓降的波動(dòng)較大。由功率譜曲線可以看出,功率譜信號的幅值較泡狀流大,能量集中分布在0.5和5Hz左右,且1Hz以后呈單峰分布。主要是氣團(tuán)和液體不同的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性決定的。3)霧狀流時(shí),壓差波動(dòng)主要由位于矩形通道壁內(nèi)側(cè)和管束表面上液膜的交替脫落產(chǎn)生擾動(dòng)引起,壓差波動(dòng)信號的能量較小,波動(dòng)頻率范圍寬,其功率譜較分散地分布在0~9Hz內(nèi),在1Hz以后呈多峰分布。由以上分析可以發(fā)現(xiàn),不同流型其功率譜結(jié)構(gòu)不同,間歇流、泡狀流和霧狀流的功率譜曲線在1Hz以后分別呈單峰、雙峰、多峰分布,并且間歇流波動(dòng)能量最大,霧狀流次之,泡狀流最小,由此可見,基于壓差波動(dòng)信號的功率譜特性可以鑒別流型。比較壓差波動(dòng)信號的幅值,可以發(fā)現(xiàn),節(jié)距比為1.3的管束的壓差信號幅值在0.04~1.1kPa之間,節(jié)距比為1.8的管束的壓差信號在1.2~3.6kPa之間,2種管束的壓差信號幅值不同,節(jié)距比大的壓差信號幅值大,其原因是:氣液兩相流體在節(jié)距比大時(shí)能充分的發(fā)展,尾流掠過管束導(dǎo)致摩擦壓降增加;而節(jié)距比小時(shí),管束密集,氣液兩相流體擾動(dòng)強(qiáng)烈,相互影響,抑制了尾流漩渦的發(fā)展。3特性分析結(jié)果1)采用高速攝像儀,拍攝到了泡狀流、間歇流、霧狀流3種典型流型及氣泡的流動(dòng)發(fā)展過程?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了流型圖,發(fā)現(xiàn)在低折算流速下與Ulbrich和Noghrehk