楊曉明，孫 斌，翟東旭

(1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012;2.國電吉林江南熱電有限公司，吉林吉林132011)

在動力工程，石油化工，核能利用等領域廣泛存在氣液兩相流體在多孔介質中流動的現(xiàn)象，如化工行業(yè)多孔填料中的流動和核反應堆的冷卻［1－3］。對多孔介質中流動的研究已經(jīng)成為當前工程熱物理學科的一個重要研究課題［4］。

目前，國內(nèi)外學者對多孔介質通道內(nèi)的氣液兩相流動特性進行了較多研究，但對豎直向上流動條件下的流動特性研究較少。Larkins［5］等最早對豎直條件下多孔介質通道的氣液兩相流動特性進行了實驗研究，此后一些學者陸續(xù)對氣液兩相流在不同結構參數(shù)的多孔介質通道內(nèi)的流動特性進行了研究，并得出了相應的流動阻力關系式［6－17］。

本文對由球形顆粒填充而成的多孔介質通道進行了氣液兩相豎直向上流動的實驗研究，采用高速數(shù)字攝像儀采集分析了四種不同結構參數(shù)多孔介質通道內(nèi)的流型信息，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量了不同流型時多孔介質通道內(nèi)的壓差信號，通過對兩類阻力模型擬合得出阻力關系式并進行了比較。

1 實驗裝置及方法

實驗是在空氣－水兩相流系統(tǒng)上完成的。實驗裝置如圖1所示。該實驗裝置由以下三部分組成:流體控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。流體控制系統(tǒng)包括水箱，水泵，空氣壓縮機，氣液混合器，實驗段和旋風分離器。水由水泵從水箱中抽出經(jīng)孔板流量計計量后進入氣液混合器，空氣經(jīng)空氣壓縮機和電磁流量計計量后進入氣液混合器。氣液兩相流體在混合器中混合后，流經(jīng)實驗段，進行差壓信號采集和流型圖像采集后進入旋風分離器實現(xiàn)氣液分離，分離出的空氣直接排入大氣，分離出的水流回水箱進行循環(huán)利用。

圖1 實驗裝置系統(tǒng)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括恒壓直流電源，數(shù)據(jù)采集板和差壓變送器。采集板為16通道數(shù)據(jù)采集板。差壓變送器采用Rosemount3051S電容式差壓變送器，測量精度為0.05%。圖像采集系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)組成。由于高速攝影法對光線的亮度有較高的要求，本次實驗采用500W的鎢燈管作為照明系統(tǒng)光源。高速攝影系統(tǒng)采用瑞士公司研制的Speed Cam Visario系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大分辨力為1536×1024，最大幀速為10000幀/s，可以清晰的抓拍各種流型的瞬變圖像。在流型圖像采集過程中，逆光照明難以穿透實驗段，無法提供足夠亮度，因此采用順光照明。

實驗測試段豎直布置在實驗臺上，測試段是由壁厚5 mm的有機玻璃管制成的長為1 000 mm，內(nèi)徑為50 mm的圓柱形通道，其內(nèi)部分別填充直徑為2、3、5.5、8 mm的有機玻璃球，形成四種不同結構參數(shù)的多孔介質通道，通道參數(shù)見表1。在實驗段填裝時，通過高速水流的沖擊和振動以使通道內(nèi)的玻璃球填充緊密，并在實驗段兩端加裝不銹鋼濾網(wǎng)和有機玻璃旋塞充分壓緊固定，以防止當實驗氣液流量較大時通道內(nèi)的玻璃球發(fā)生松動。為了消除進出口效應，取壓點布置在距實驗段進出口各100 mm的位置。為了保證實驗時的取壓均勻和防止玻璃球對取壓點形成堵塞，沿實驗段周向均勻開四個1mm的取壓孔，并在其外安裝有機玻璃取壓環(huán)。

表1 實驗段參數(shù)

實驗時，先調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥，將水流量調(diào)節(jié)到所需流量后，再調(diào)節(jié)氣體流量來改變流經(jīng)測試段的總流量和含氣率，待氣液兩相流動穩(wěn)定后，采集實驗段的流量，差壓等參數(shù)，并通過高速攝影系統(tǒng)獲取流型，重復以上步驟直至實驗結束。

本文拍攝圖像的分辨率為1536×1024，幀頻為1 000幀/s。

實驗參數(shù)范圍:溫度15－25 ℃，氣相流量0.3－12 m3/h，液相流量0.18－0.45 m3/h。

2 實驗結果及分析

2.1 兩相流型及圖像分析

在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)，固定液體流量，漸次提高氣體流量，依次拍攝到泡狀流、彈狀流、脈沖流、霧狀流四種流型。

圖2 泡狀流

泡狀流:如圖2所示，在氣液流速均很低時氣泡呈球形，其尺寸小于孔隙尺寸，可以在孔隙中自由流動，隨著氣體流速增加，氣泡尺寸變大，受到孔隙的擠壓而變形，氣泡在流動過程中受孔隙結構和自身尺寸影響可能會暫時滯留于孔隙中。

彈狀流:如圖3所示，在泡狀流基礎上繼續(xù)增大氣體流量，氣泡數(shù)量增多，尺寸和運動速度逐漸增大，相鄰氣泡開始碰撞融合形成細長氣泡，隨著氣體流速增加，氣泡之間的融合頻率增加并最終形成氣彈，氣彈形狀與孔隙形狀相似，其尺寸與孔隙尺寸相當，由于多孔介質孔隙結構非常復雜，氣彈在向上流動過程中可能會破裂并與其他氣彈融合，氣彈長度隨著氣體流量增加先增大后因破裂頻率增加而逐漸減小。

圖3 彈狀流

脈沖流:如圖4所示，進一步增大氣體流量，氣彈在液相的剪切和多孔介質結構的雙重作用下，被分解成大量的氣團，兩相流動進入脈沖流形態(tài)，脈沖流存在明顯的富氣段和富液段分界面，富氣段和富液段交替通過多孔介質通道，富液段內(nèi)部液相占據(jù)大部分空間，氣相以形狀各異的氣團形式存在，而富氣段具有明顯的霧狀流動特征，繼續(xù)增大氣體流量，富液段長度逐漸減小，其內(nèi)部含氣率逐漸增大，分界面逐漸模糊消失，兩相流動最終進入霧狀流形態(tài)。

圖4 脈沖流

圖5 霧狀流

霧狀流:如圖5所示，當氣相流速極高時，兩相流動呈現(xiàn)霧狀流形態(tài)，氣相形成連續(xù)通道，液相在填充小球表面形成液膜并被高速流動的氣體裹挾進入氣相形成霧狀流動，在調(diào)節(jié)氣體流量剛進入霧狀流型時，孔隙率較大的通道壁面存在大量高速流動的小氣泡，繼續(xù)提高氣體流量，氣泡數(shù)量減少并逐漸形成連續(xù)氣相。

2.2 壓降特性

四種多孔介質通道的壓降特性如圖6所示。從圖6可以看出，固定液相流量，通道壓降隨著氣相流量增加而增大，但其變化幅度逐漸減小，最后與氣相流量基本呈線性變化。從圖中還可看出，在兩相流速相近的流動條件下，通道壓降隨著填充顆粒直徑的增加而減小，4#通道阻力壓降比其余通道低一個數(shù)量級，這是因為隨著顆粒直徑增大，通道內(nèi)顆粒的總表面積減小，即流體與顆粒的作用面積減小，流動中的慣性損失減小，從而使流動阻力顯著下降。

圖6 四種通道的壓降特性

隨著對多孔介質氣液兩相流動研究的進展，國內(nèi)外的研究者陸續(xù)提出了一些用于計算多孔介質氣液兩相流動阻力的經(jīng)驗公式，這些公式大致上可以分為以Lockhart－Martinelli概念為基礎的分相模型阻力公式和以氣液兩相雷諾數(shù)為基礎的均相模型阻力公式［7］，鑒于相關的研究還很不完善，實驗數(shù)據(jù)不夠豐富，本文將以實驗數(shù)據(jù)為基礎對這兩類阻力公式分別進行擬合，并對其預測精度進行比較。

2.2.1 分相模型阻力公式

多孔介質通道分相模型阻力公式的常用形式如下:

式中，ΦL為分液相折算系數(shù)，χ為分氣相折算系數(shù)，ΦG與分液相折算系數(shù)ΦL的比值，即馬蒂內(nèi)里參數(shù)，C與n是經(jīng)驗常數(shù)，上述參數(shù)的定義式如下:

分液相折算系數(shù):

分氣相折算系數(shù):

馬蒂內(nèi)里參數(shù):

上述定義式中，(dP/dx)為氣液兩相流動時的阻力壓降梯度，(dP/dx)G和(dP/dx)L分別為氣液兩相單獨流過多孔介質通道的阻力壓降梯度。本文采用廣泛采用的Ergun［16］公式計算單相流體流過多孔介質時的壓降，Ergun公式為:

上式中，μ為流體動力粘度，Pa·s;u為流體折算速度，m/s;ρ為流體密度，kg/m3;A、B為Ergun方程的經(jīng)驗常數(shù)，其值與填充顆粒形狀和大小有關，本文實驗條件下A和B的值分別取180和1.8［16］。

根據(jù)上述定義式和單相流體壓降方程通過對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得到C=1.035，n=0.359，擬合結果如圖7所示。

利用本文改進后的分相模型關系式對4種通道在實驗條件下的阻力壓降進行計算，并將計算結果與實驗數(shù)據(jù)進行比較，得出其對4種通道的平均相對誤差值分別為 9.15%、7.85%、8.83%、10.94%。

2.2.2 均相模型阻力公式

多孔介質通道均相模型阻力公式以氣液兩相雷諾數(shù)為基礎，本文采用Kahn［17］提出的阻力系數(shù)定義，其形式如下:

圖7 ΦL關于χ的擬合曲線

在上述定義式中，dp為填充顆粒直徑，m，uSL為液相折算速度，m/s，ρL為液相密度，kg/m3。

以氣液折算速度作為特征速度，填充顆粒直徑作為特征尺寸定義多孔介質兩相流動的氣液雷諾數(shù)，定義形式如下:

在上式中，uSG為氣相折算速度，ρG為氣相密度，μG為氣相動力粘度，μL為液相動力粘度。

本文認為通道阻力系數(shù)由氣相雷諾數(shù)，液相雷諾數(shù)，通道孔隙率，填充顆粒直徑和通道直徑共同決定。通過與實驗數(shù)據(jù)擬合得到如下的阻力系數(shù)關系式:

在上式中，dc為多孔介質通道直徑，m。

將阻力公式(9)的預測結果與實驗數(shù)據(jù)進行比較，結果如圖8所示。從圖8可以看出，通過公式(9)計算得到的阻力值與實驗值符合很好。公式(9)對四種通道阻力預測的平均相對誤差值分別為4.73%，6.53%，6.49%，8.05%。

圖8 公式(9)預測值與實驗值的比較

2.2.3 改進后兩類模型阻力公式的比較

分相模型阻力公式形式簡單直觀，但其并沒有體現(xiàn)出影響阻力壓降的內(nèi)部因素，均相模型阻力公式形式較為復雜，但其包含了影響阻力壓降的重要因素，包括反映流體性質的氣液兩相雷諾數(shù)和反映通道結構特征的孔隙率、填充顆粒直徑和通道直徑。在對阻力預測的準確度方面，公式(9)對1#通道的預測準確度最高，隨著顆粒直徑的增加，公式(9)的預測誤差有所增大，這是因為1#通道的孔隙率在徑向差別最小。公式(9)對四種通道阻力預測的準確度均優(yōu)于公式(1)。

3 結 論

本文對多孔介質通道氣液兩相垂直向上的流動特性進行了研究，通過高速攝影儀在實驗參數(shù)范圍內(nèi)依次觀察到泡狀流、彈狀流、脈沖流、霧狀流四種流型，并總結了各種流型的特征。依據(jù)實驗獲得的兩相流動阻力數(shù)據(jù)，分別對多孔介質分相和均相阻力模型進行擬合，得出了適于本實驗特點的兩類阻力關系式，改進后的兩類模型均與實驗數(shù)據(jù)實現(xiàn)了較好的吻合，但均相模型相對于分相模型，由于其模型定義中包含了影響多孔介質兩相流動阻力壓降的各個要素，因此其物理意義更加清楚，并且其對四種通道阻力預測的精度均優(yōu)于分相模型，因此均相模型可以優(yōu)先用于多孔介質通道氣液兩相流動的阻力計算。

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