洪文鵬, 劉 燕, 周云龍

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,吉林132012)

在動力工程、石油化工和核能利用等領(lǐng)域廣泛存在著氣液兩相流體繞流管束的現(xiàn)象,如凝汽器、加熱器及核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器等管殼式換熱設(shè)備[1-2].在一定條件下,氣液兩相流在柱體后部形成交替脫落的旋渦,并誘發(fā)柱體受到交變力的作用,由此產(chǎn)生的損傷不僅威脅設(shè)備的安全運行,而且會大大縮短工業(yè)設(shè)備的使用壽命[3-5].隨著動力、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)計更加緊湊,因此對換熱器的綜合性能提出了更高的要求.此類問題已經(jīng)成為多相流體動力學(xué)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究課題.

目前,國內(nèi)外有關(guān)科研人員對氣液兩相流體橫向繞流平行三角形、旋轉(zhuǎn)正方形及正三角形等錯列布置型式管束的旋渦脫落特性進行了試驗研究[6-8].然而,由于測試技術(shù)的局限,其中大部分的試驗研究主要集中在對升力系數(shù)和阻力系數(shù)等的測量,而對氣液兩相流體沖刷管束旋渦脫落演化特性的研究相對較少,并且一些對瞬態(tài)流場顯示的新技術(shù)在氣液兩相流的應(yīng)用上還不太成熟,其旋渦特征的表現(xiàn)大多還依賴于數(shù)值模擬的結(jié)果.筆者采用高速數(shù)字圖像采集方法拍攝了流型為細泡狀流的氣、液兩相流體垂直向上沖刷3節(jié)距比(S/d=1.0、1.5和2.0)錯列管束的旋渦脫落流場的動態(tài)圖像,重建了旋渦形成和演化的過程,并運用時間序列圖像相關(guān)性對比分析了旋渦脫落的周期特征.

1 試驗裝置

圖1為氣液兩相流系統(tǒng)與高速圖像采集裝置示意圖.圖像采集系統(tǒng)由高速動態(tài)分析儀、光源和計算機組成.高速動態(tài)分析儀采用瑞士Weinberger公司的Speed cam visario高速攝影系統(tǒng),其間歇式電子快門速度可達15μs,最大分辨率為1 536×1 024像素,對應(yīng)的拍攝速度為1 000 fps,最高拍攝速度可達到10 000 fps.通過高速動態(tài)分析儀可以捕捉到尾流中清晰的瞬態(tài)流動狀況.光源采用6 400 K色溫的三基色光管,用于提供拍攝時所需要的光照亮度,計算機用于儲存拍攝下來的圖像資料.

圖1 氣液兩相流系統(tǒng)與高速圖像采集裝置示意圖Fig.1 Schematic of gas-liquid two-phase flow system and high-speed imaging installation

圖2為試驗段管束布置圖.試驗段由10 mm厚的有機玻璃制成,截面為180 mm×65 mm的矩形通道,圓柱直徑為20 mm,采用旋轉(zhuǎn)正方形布置.

在圖像采集過程中,由于液體和氣體均是透明的,因此采用逆光照明拍攝氣泡的陰影.為了使光線分布均勻,在試驗段的后側(cè)蒙上兩層繪圖用的硫酸紙可獲得滿意的拍攝圖像.由于試驗管段內(nèi)的流動不穩(wěn)定,因此需要較高的拍攝速度,本文中所采用的拍攝速度為1 000 fps.為了在獲得圖像處理所需要的高質(zhì)量圖片的同時又能考慮到高速動態(tài)分析儀的實際存儲空間,采用的分辨率為768×512像素.

圖2 試驗段管束布置圖Fig.2 Lay out of tube bundles in test section

試驗條件:液相折算速度J L為0.19 m/s和0.27 m/s,含氣率α的范圍為0.01～0.15.

2 結(jié)果與分析

2.1 旋渦形成和演化過程分析

根據(jù)對單相流體的研究,當流體繞流過非線性物體時會在物體的后面形成旋渦,其主要的能量損失是由旋渦引起的,在靠近旋渦的地方貯存著許多能量,旋渦的中心是一個低壓區(qū),旋渦的內(nèi)外形成較大的壓力梯度[9].在兩相流中,由于加入了氣泡,質(zhì)量較輕的氣泡在旋渦的形成與運動過程中就會不斷地被吸入到旋渦的中心,并在旋渦的中心進行聚集和融合,所以旋渦中心的含氣量比旋渦外大得多.

采用高速數(shù)字圖像采集裝置可清晰地記錄各個試驗工況下的旋渦形成和演化的動態(tài)過程.圖3為旋渦形成和氣泡卷吸的演變過程.在圖3中,節(jié)距比S/d=1.0,雷諾數(shù)為2.82×104,含氣率為0.074,圖中的陰影部分為氣泡.

圖3(a)反映的是在前一個旋渦卷吸氣泡完畢并開始向后運動,下一個旋渦剛剛開始時的狀況.此時,旋渦中心是一個低壓區(qū),兩相流中較小的氣泡被吸入,在管束后排圓柱的后面形成了小的氣核.圖3(b)顯示:后排圓柱后面的氣核在逐漸增大,被吸入的氣泡增多,導(dǎo)致旋渦的能量降低,旋渦的穩(wěn)定性減弱,此時的旋渦還在生長過程中,由視頻畫面顯示的旋轉(zhuǎn)特性還不明顯.圖3(c)和圖3(d)顯示了在旋渦不斷生長過程中,旋渦周圍的氣泡呈“輻條狀”被卷吸入旋渦中心并在中心不斷地聚合,使得中心含氣率增大,主流紊流強度增加,導(dǎo)致能量低、不穩(wěn)定的旋渦加速了對氣泡的卷吸,這使旋渦中心的氣核也不斷變大.圖3(e)反映了隨著卷吸氣泡的增多,過多的氣泡卷入形成氣袋,導(dǎo)致旋渦內(nèi)、外壓力梯度變小,加速了旋渦的脫落,此時的不穩(wěn)定旋渦使氣袋分裂,卷吸能力減弱,并發(fā)現(xiàn)“輻條狀”卷吸現(xiàn)象逐漸不明顯.從圖3(f)可以看到氣核周圍的“輻條狀”卷吸現(xiàn)象已經(jīng)完全消失,氣核開始向后運動,說明一個旋渦的生長、發(fā)展與脫落過程已經(jīng)完成.整個旋渦的過程經(jīng)歷了234幀圖像,用時為0.234 s.

圖3 旋渦形成和氣泡卷吸的演化過程Fig.3 The evolution process of vortex generation and bubble entrainment

由拍攝的視頻發(fā)現(xiàn):在上述旋渦形成和脫落過程中,主要是圓柱右側(cè)的氣泡被吸入旋渦中心形成氣核,左側(cè)的氣泡相對較少.對于旋渦脫落一個周期來說,應(yīng)該是左、右各脫落一個旋渦又重新回復(fù)到圖3(a)所示的狀態(tài),所以旋渦脫落的周期為0.468 s.筆者對每個工況下的旋渦脫落周期均統(tǒng)計了5次,相對誤差不超過2%.

2.2 旋渦脫落的頻率分析

通過對拍攝的視頻中旋渦脫落一個周期所經(jīng)過的圖片的幅數(shù)和兩幅圖像間的時間間隔的統(tǒng)計,可以得到旋渦脫落一個周期所用的時間.對每個旋渦周期進行5次統(tǒng)計,并采用取均值的方式最終確定旋渦脫落的周期,進而得出旋渦脫落的頻率.圖4為3種不同節(jié)距比時的旋渦頻率隨含氣率的變化.從圖4可知:在JL=0.27 m/s和JL=0.19 m/s 2種折算液速時,旋渦脫落頻率均隨截面含氣率的增加而增大,這主要是由于氣泡的引入對圓柱表面的邊界層產(chǎn)生干擾,使邊界層變得不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致邊界層更易于分離,旋渦易于脫落,加快了旋渦脫落的速度.隨著含氣率的增加,氣泡對邊界層的干擾程度增大,并且隨著來流含氣率的增加,流場的湍流強度增大,旋渦更容易從柱體上脫落.

圖4 3種不同節(jié)距比時旋渦頻率隨含氣率的變化Fig.4 Vortex frequency vs.void fraction at three different ratios of pitch to diameter

圖5 為在折射液速JL=0.27 m/s的工況下,不同節(jié)距比時旋渦脫落頻率的比較.從圖5可知:在一定的折算液速時,節(jié)距比對旋渦脫落頻率有較大影響.隨著節(jié)距比的增大,旋渦脫落頻率不斷增大.在同一節(jié)距比時,旋渦脫落頻率隨著截面含氣率的增加而增大,其主要原因是:在小節(jié)距比時,管束間的干擾作用增強,上游圓柱的自由剪切層延伸到了下游圓柱,并對下游圓柱形成包裹,抑制了下游圓柱旋渦的形成和脫落;相反,當節(jié)距比增大時,上游圓柱的自由剪切層對下游圓柱的影響作用減弱,旋渦能正常地生成和脫落.本文試驗的節(jié)距比較小,因此在此范圍內(nèi)對旋渦脫落頻率的影響較大.

對于節(jié)距比較大(S/d=2.0)的管束,旋渦頻率隨含氣率增加變化幅度較大,當節(jié)距比較小(S/d=1.0)時,旋渦頻率增加的幅度小,其主要原因是:當節(jié)距比小時,管束間流動處于縫隙流動狀態(tài),由于繞流產(chǎn)生的較大的壓力梯度使大量密度小的氣泡被卷入縫隙中,在一定條件下會出現(xiàn)“氣囊”現(xiàn)象(在試驗中也觀察到了這種現(xiàn)象),這種現(xiàn)象的存在對管束的流動和傳熱特性產(chǎn)生不利影響,是工程設(shè)計中不能忽略的問題.

圖5 不同節(jié)距比時旋渦脫落頻率的比較Fig.5 Comparison of vortex shedding frequency at different ratios of pitch to diameter

圖6 為不同節(jié)距比時旋渦脫落頻率隨Re的變化.從圖6可看出:在本文試驗范圍內(nèi),在不同節(jié)距比的錯列管束中,Re對旋渦脫落頻率均有較大影響,隨著Re的增加,旋渦脫落頻率逐漸增大.

圖6 不同節(jié)距比時旋渦脫落頻率隨Re的變化Fig.6 Vortex shedding frequency vs.Reynolds number at different ratiosof pitch to diameter

通過比較圖6中的曲線可以看出:在低Re區(qū)域(Re＜1.5×104)、小節(jié)距比(S/d=1.0)時,旋渦脫落的頻率遠遠低于大節(jié)距比(S/d=1.5和2.0)的頻率,相差近50%;而在S/d=1.5和S/d=2.0兩種節(jié)距比時,旋渦脫落頻率值接近.在1.5×104＜Re＜2.9×104內(nèi),隨著Re的增加,小節(jié)距比(S/d=1.0)管束的旋渦脫落頻率比大節(jié)距比(S/d=1.5和2.0)時增加的幅度小;而在S/d=1.5和S/d=2.0兩種節(jié)距比下的旋渦脫落頻率隨Re增加的幅度趨于一致.其主要原因是:①在小節(jié)距比(S/d=1.0)時,各相鄰圓柱旋渦的形成和脫落相互影響,并伴隨有氣泡在管束縫隙間的積聚,充分抑制了旋渦的脫落,導(dǎo)致旋渦脫落頻率顯著降低,這種現(xiàn)象在低Re時更為突出;②在大節(jié)距比(S/d=1.5、2.0)時,相鄰圓柱旋渦相互影響減弱,管束縫隙間不會出現(xiàn)氣泡積聚現(xiàn)象,而是以小氣泡形式分布于管束中.在低Re時,旋渦脫離的能量不僅來自于流體自身,氣泡的擾動也促進了旋渦分離,此時脫落頻率與來流的截面含氣率有密切關(guān)系.③在1.5×104＜Re＜2.9×104內(nèi),由于小節(jié)距比管束間積聚氣泡的影響,其旋渦脫落頻率比大節(jié)距比時增加的幅度小.

2.3 兩相斯特羅哈數(shù)的分析

斯特羅哈數(shù)(StTP)是研究流體繞流的一個重要特征參數(shù),它是反映旋渦脫落特性的相似準則數(shù).圖7為3種不同節(jié)距比時StTP隨截面含氣率的變化.從圖7可看到:在本文的試驗條件下,錯列管束的St TP隨著含氣率α的增加呈逐漸下降的趨勢,與旋渦脫落頻率的變化趨勢相反.

圖7 3種不同節(jié)距比時St TP隨截面含氣率的變化Fig.7 Strouhal number vs.void fraction at three different ratios of pitch to diameter

圖8 為3種不同節(jié)距比時StTP的比較.從圖8可知:在折算液速一定、節(jié)距比不同時,StTP有較大差別.隨著節(jié)距比的增加,StTP也是增加的;而在同一節(jié)距比時,StTP隨著截面含氣率α的增加而減小.

圖8 3種不同節(jié)距比時St TP的比較Fig.8 Comparison of Strouhal number at three different ratios of pitch to diameter

圖9 為不同節(jié)距比時StTP隨Re變化的曲線.通過對比圖9中節(jié)距比S/d=1.0、S/d=1.5和S/d=2.0時StTP隨Re變化的關(guān)系曲線可以看出:在大節(jié)距比(S/d=1.5、2.0)時,StTP趨于穩(wěn)定值;而在小節(jié)距比(S/d=1.0)時,StTP隨著Re的增加出現(xiàn)波動.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:在小節(jié)距比時,在本文試驗的截面含氣率條件下,由于縫隙間各圓柱形成的旋渦相互影響,出現(xiàn)氣泡“聚合”現(xiàn)象,使兩相繞流管束的流型發(fā)生了變化,引起StTP出現(xiàn)波動.

圖9 不同節(jié)距比時St TP隨Re的變化Fig.9 Strouhal number vs.Reynolds number at different ratios of pitch to diameter

3 結(jié) 論

(1)在本文試驗的2種折算液速(JL=0.27 m/s、JL=0.19 m/s)下,旋渦脫落頻率隨著截面含氣率α的增加而增大;在一定的折算液速下,節(jié)距比S/d對旋渦脫落頻率有較大影響,隨著S/d的增大,旋渦脫落頻率不斷增大.

(2)在不同節(jié)距比時,截面含氣率α對旋渦脫落頻率的影響不同.對于大節(jié)距比(S/d=2.0)管束,隨著α增加,旋渦脫落頻率增加的幅度較大,在小節(jié)距比(S/d=1.0)時,旋渦脫落頻率增加幅度較小.

(3)在本文試驗的Re范圍內(nèi),在大節(jié)距比(S/d=1.5、2.0)時,兩相StTP趨于穩(wěn)定值,而在小節(jié)距比(S/d=1.0)時,St TP隨Re的增加出現(xiàn)波動.

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