孫宏軍，劉 暢

(1. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津市過程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

氣液兩相流廣泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中，流過繞流物體時(shí)，一定條件下會(huì)產(chǎn)生漩渦，并引起振動(dòng)．工業(yè)設(shè)備中，氣液兩相流鈍體繞流產(chǎn)生的振動(dòng)一方面具有破壞性[1]，另一方面隱含著流動(dòng)信息．因此，充分認(rèn)識(shí)氣液兩相流鈍體繞流的規(guī)律和流場(chǎng)分布特性，并通過電學(xué)手段表征，可以為工業(yè)設(shè)備的抗振設(shè)計(jì)以及氣液兩相流體的流動(dòng)參數(shù)測(cè)量提供理論依據(jù)．Hulin 等[2]和林宗虎等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究了氣液兩相流鈍體繞流的一些特性．文獻(xiàn)[2]得出當(dāng)來流含氣率小于10%時(shí)渦街是穩(wěn)定的結(jié)論，文獻(xiàn)[3]在垂直上升和垂直下降2 個(gè)流向分析了漩渦脫落特性．但氣液兩相流流場(chǎng)復(fù)雜，真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)不易檢測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)無法研究流場(chǎng)各個(gè)位置上的基本物理量(速度、壓力、溫度、組分等)的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況；因此，利用數(shù)值仿真計(jì)算模擬真實(shí)條件，可以克服實(shí)驗(yàn)研究的不便，探究流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)過程，并在數(shù)值模擬和實(shí)流實(shí)驗(yàn)之間建立更緊密的互證關(guān)系，為氣液兩相流的測(cè)量提供更深入的借鑒依據(jù)和有力支撐．

筆者在50,mm 垂直上升管道內(nèi)，利用Fluent 軟件仿真，并通過實(shí)驗(yàn)研究了氣液兩相細(xì)泡流繞漩渦發(fā)生體流動(dòng)發(fā)生氣液兩相渦街的一些現(xiàn)象．實(shí)驗(yàn)表明，截面含氣率在小于10%時(shí)渦街是穩(wěn)定的[4]，因此筆者分析了截面含氣率在0～8%變化時(shí)對(duì)脈動(dòng)升力以及漩渦脫落的影響．將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較，最大誤差小于8%，平均誤差小于4%．

1 建模與數(shù)值仿真

1.1 模型的選擇與建立

考慮到在水平管段，氣液兩相流在運(yùn)動(dòng)過程中極易出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，渦街流量計(jì)檢測(cè)到的很多都是純水的信息，失真太大；而在垂直上升管道內(nèi)，氣液兩相流在重力和浮力等作用下，相對(duì)混合比較均勻，檢測(cè)效果也很好，所以選擇豎直管段為實(shí)驗(yàn)管段，直徑D＝50,mm，仿真時(shí)建模也按該尺寸建立豎直管段．

從實(shí)際出發(fā)，渦街流量計(jì)需要有前后直管段來保證漩渦分離的穩(wěn)定性，因此在建立仿真模型時(shí)，選取30D長(zhǎng)的管道，前直管段處為181,mm，梯形柱漩渦發(fā)生體為19,mm，后直管段為400,mm．所選梯形柱漩渦發(fā)生體的尺寸為單相流產(chǎn)生穩(wěn)定渦街的典型尺寸，即迎流面與管徑比為0.28．由于二維數(shù)值仿真中省略了漩渦的拉伸彎扭項(xiàng)，忽略了邊界層條件，造成了二維仿真結(jié)果與真實(shí)的三維流場(chǎng)存在較大差異，且漩渦自身還有三維的特性，因此，選擇建立三維模型[5]．管內(nèi)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格六面體剖面，邊界層與漩渦發(fā)生體梯形柱采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格四面體剖面，并進(jìn)行光順處理，如圖1 所示．

圖1 模型全景Fig.1 Model panorama

1.2 純水仿真與可靠性分析

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃?，根?jù)純水在管道中流動(dòng)的情況分別進(jìn)行數(shù)值仿真和實(shí)流實(shí)驗(yàn)．由于在單相流中渦街流量計(jì)的信號(hào)最強(qiáng)處為漩渦發(fā)生體后的1.5倍管徑處[6-8]，因此選擇該點(diǎn)檢測(cè)出的仿真頻率值與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析比對(duì)，如圖2 所示．

圖2 純水仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)Fig.2 Comparison between simulation and experimental result in pure water

由圖2 可見，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，最大誤差小于7%，平均誤差小于5%，表明模型對(duì)流場(chǎng)的模擬結(jié)果可信．利用這個(gè)結(jié)果，再加入氣相，可以進(jìn)行氣液兩相流的數(shù)值仿真．

1.3 氣液兩相流的仿真

仿真條件如表1 所示．仿真時(shí)，在速度入口處先根據(jù)預(yù)定流量設(shè)定流速．開始只計(jì)算第1 相水相，待出口與入口的流量一致或差值足夠小時(shí)，即收斂結(jié)果比較好時(shí)，添加第2 相氣相繼續(xù)計(jì)算[9]．共完成了5 組不同流量下(6,m3/h、7,m3/h、8,m3/h、9,m3/h和10,m3/h)不同截面含氣率α(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%)的數(shù)值仿真．與純水仿真時(shí)一樣，在漩渦發(fā)生體后1.5 倍管徑處檢測(cè)仿真頻率，結(jié)果如圖3 所示．

表1 仿真條件Tab.1 Simulation conditions

圖3 不同截面含氣率下仿真渦街信號(hào)頻率變化Fig.3 Frequency change of simulation signal in different void fractions

由于固定水流量時(shí)，不同截面含氣率下變化曲線變化趨勢(shì)存在共性，因此僅分析水流量為6,m3/h 時(shí)不同截面含氣率(0、2%、4%和6%)下的仿真脈動(dòng)升力(圖4)和仿真脈動(dòng)升力功率譜密度(power spectral density，PSD)(圖5)．

圖4 水流量為6,m3/h時(shí)不同截面含氣率下仿真脈動(dòng)升力Fig.4 Simulation fluctuating lift in different void fractions when flow rate is 6,m3/h

圖5 水流量為6,m3/h 時(shí)不同截面含氣率下仿真脈動(dòng)升力功率譜密度Fig.5 Simulation power spectral density of fluctuating lift in Fig.5 different void fractions when the flow rate is 6,m3/h

可見，隨著含氣率上升，脈動(dòng)升力的周期性被破壞得更為嚴(yán)重，隨機(jī)性增強(qiáng)[10]，且脈動(dòng)升力的幅值逐漸減?。}動(dòng)升力功率譜存在尖峰，表明有漩渦自梯形柱漩渦發(fā)生體交替脫落；尖峰峰值逐漸減小，而峰值對(duì)應(yīng)頻率逐漸升高，表現(xiàn)為隨機(jī)振動(dòng)中疊加了1 個(gè)周期性波動(dòng)，這種周期性隨截面含氣率的增加而減弱.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及兩相渦街的檢測(cè)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)條件見表2，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)由已測(cè)定流量的水和空氣分別送入混合器形成混合物后送入實(shí)驗(yàn)管段，其實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院油氣水三相流綜合實(shí)驗(yàn)裝置上完成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6 所示．實(shí)驗(yàn)所用的渦街流量計(jì)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用的壓電式渦街流量計(jì)．內(nèi)徑D＝50,mm，渦街流量計(jì)安裝在垂直上升測(cè)量管路上，其前后直管段分別為25D和30D．

表2 實(shí)驗(yàn)條件Tab.2 Experimental conditions

圖6 多相流測(cè)量裝置示意Fig.6 Sketch of multi-phase measuring devices

2.2 兩相渦街的檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)中利用如圖7 所示渦街信號(hào)采集系統(tǒng)，將渦街流量傳感器探頭輸出的信號(hào)經(jīng)電荷放大器、低通濾波器、NI-6009 數(shù)據(jù)采集卡，輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)．

圖7 渦街信號(hào)采集系統(tǒng)Fig.7 Vortex signal acquisition system

為了與數(shù)值仿真相比對(duì)，共完成了5 組不同流量下(6,m3/h、7,m3/h、8,m3/h、9,m3/h 和10,m3/h)不同截面含氣率(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%)的實(shí)流實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)頻率如圖8 所示．

圖8 不同截面含氣率下實(shí)驗(yàn)渦街信號(hào)頻率變化Fig.8 Frequency change of experimental signal in different Fig.8 void fractions

實(shí)驗(yàn)分析方法與數(shù)值仿真相同，在水流量為6,m3/h 時(shí)對(duì)不同截面含氣率(0、2%、4%和6%)下的脈動(dòng)升力(圖9)和脈動(dòng)升力功率譜密度(圖10)進(jìn)行分析．

圖9 水流量為6,m3/h時(shí)不同截面含氣率下實(shí)驗(yàn)脈動(dòng)升力Fig.9 Experimental fluctuating lift in different void fractions when flow rate is 6,m3/h

圖10 水流量為6,m3/h時(shí)不同截面含氣率下實(shí)驗(yàn)脈動(dòng)升力功圖10 率譜密度Fig.10 Experimental power spectral density of fluctuating lift in different void fractions when flow rate is 6,m3/h

可見，截面含氣率的上升，嚴(yán)重破壞了脈動(dòng)升力的周期性，增強(qiáng)了隨機(jī)性，減小了振動(dòng)幅值，脈動(dòng)升力功率譜的尖峰表明尾流中存在穩(wěn)定的渦街，尖峰峰值逐漸減小，峰值對(duì)應(yīng)頻率逐漸升高，同樣表現(xiàn)為在隨機(jī)振動(dòng)中疊加了一個(gè)周期性隨截面含氣率增加而減弱的波動(dòng)．

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比與分析

將水流量為6 m3/h 的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖11 所示，最大誤差低于8%，平均誤差低于4%，表明仿真結(jié)果非常貼近實(shí)際，在壓力、速度等物理量上反映了真實(shí)流場(chǎng)的物理特性．

圖11 水流量為6,m3/h的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.11 Comparison between simulation and experiment result when flow rate is 6,m3/h

單相流實(shí)驗(yàn)指出[4]，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù)Sr是一個(gè)常量，流量qv與穩(wěn)定的漩渦脫落頻率f 的關(guān)系為

式中：d為漩渦發(fā)生體特征寬度；D為管徑；m為發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積之和與測(cè)量管的橫截面積之比．

實(shí)驗(yàn)中，單相流純水 Sr = 0.16，為常數(shù)．與單相流純水的數(shù)值相比，氣液兩相流同一流量下的Sr隨截面含氣率的變化而變化，說明氣液兩相流鈍體繞流產(chǎn)生的漩渦中存在一定隨機(jī)性，如圖12 所示．

圖12 氣液兩相流中截面含氣率對(duì)斯特勞哈爾數(shù)的影響Fig.12 Impact of void fraction on Sr in gas-liquid two phase flow

在相同的截面含氣率、不同水流量下Sr的變化情況如圖13 所示．增多，振動(dòng)的隨機(jī)性增強(qiáng)，嚴(yán)重破壞了周期性．脫落的漩渦由于其中心吸入了氣泡，使漩渦的能量比單相流中低，由此氣液兩相流中由漩渦脫落引起的脈動(dòng)升力比單相流時(shí)小，且隨含氣率增加而減?。?/p>

圖13 相同截面含氣率不同水流量下的斯特勞哈爾數(shù)變化情況Fig.13 Changes in Sr in the same void fraction under different water flows

可見，與純水相比較，在相同截面含氣率、不同水流量下，Sr波動(dòng)更為明顯，進(jìn)一步說明了氣液兩相流鈍體繞流產(chǎn)生的漩渦中存在一定隨機(jī)性．

這種隨機(jī)性是由氣液兩相細(xì)泡流中密度比水小很多的小氣泡在壓力梯度的作用下不斷撞擊梯形柱漩渦發(fā)生體引起的．隨截面含氣率的增加，氣泡數(shù)量

與單相流純水的數(shù)據(jù)相比，隨著截面含氣率的增加，升力功率譜的尖峰峰值減小，同樣表明在柱體之前氣泡的移動(dòng)隨機(jī)性增強(qiáng)；而峰值對(duì)應(yīng)頻率逐漸升高表明尾流中存在穩(wěn)定的渦街，且漩渦脫落頻率升高．脈動(dòng)升力功率譜的尖峰表明尾流中存在穩(wěn)定的渦街；尖峰峰值逐漸減小，峰值對(duì)應(yīng)頻率逐漸升高，表現(xiàn)為在隨機(jī)振動(dòng)中疊加了一個(gè)周期性的波動(dòng)，這種周期性隨截面含氣率增加而減弱．

4 結(jié) 論

(1) CFD 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最大誤差小于8%，平均誤差小于4%．CFD 數(shù)值模擬可以真實(shí)地反映低含氣率下實(shí)流流場(chǎng)中氣液兩相細(xì)泡流鈍體繞流特性．

(2) 氣液兩相流中斯特勞哈爾數(shù)Sr在同一水流量下，隨截面含氣率的變化而變化，不再為常數(shù)；在相同截面含氣率不同水流量下也不為常數(shù)．表現(xiàn)出氣液兩相流鈍體繞流產(chǎn)生的漩渦存在一定的隨機(jī)性．

(3) 在截面含氣率低(小于10%，實(shí)驗(yàn)中小于8%)的情況下，隨含氣率的增加，氣液兩相流鈍體繞流能產(chǎn)生穩(wěn)定的渦街，引發(fā)的脈動(dòng)升力幅值逐漸減小，振動(dòng)隨機(jī)性增強(qiáng)，破壞了周期性．

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