劉紅楊，張 勇，趙 于，胡曉瑋，劉云云，袁越錦

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

氣液兩相流在許多工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常遇到，如鍋爐、核反應(yīng)堆的堆芯和蒸汽發(fā)生器、電子冷卻器和各種類型的化學(xué)反應(yīng)堆[1,2].兩相流中，流型和含氣率是重要參數(shù)[3].首先，流型不同換熱效果不同；其次，含氣率是計算其他物理參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)[4].隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，推動換熱設(shè)備向高效和小型化方向發(fā)展，小通道已經(jīng)在緊湊式換熱器中出現(xiàn)[5,6]，以水力直徑為劃分依據(jù)，水力直徑在1 mm和6 mm之間的通道被稱為小通道[7].與常規(guī)通道相比，表面效應(yīng)在小通道內(nèi)兩相流動時起很大作用，使得兩者兩相流動特性有很大不同.

近年來，眾多學(xué)者通過對氣液兩相流型和含氣率特性的研究得到了氣液兩相流型圖、各流型間的轉(zhuǎn)變規(guī)律和含氣率特性[8-13]，但是對圓形小通道內(nèi)的流型轉(zhuǎn)變特性和含氣率特性研究較少.基于以上考慮，本文進(jìn)行垂直向上圓形小通道內(nèi)氣液兩相流實驗，得到了兩相流型圖以及其含氣率特性.

1 實驗系統(tǒng)及實驗方法

1.1 實驗系統(tǒng)

為滿足實驗條件，作者設(shè)計并搭建了如圖1所示的兩相流實驗臺.實驗系統(tǒng)由循環(huán)水回路、氣路、實驗段以及測量系統(tǒng)等組成.從高壓氮氣瓶流出的氮氣依次經(jīng)過減壓閥、高精度針閥、氣體質(zhì)量流量計、截止閥和混合器，水箱內(nèi)的水依次流經(jīng)過濾器、變頻恒壓水泵、電磁流量計和混合器.混合后的氮氣-水兩相流體流經(jīng)實驗段，實驗段流出的水和氮氣分別排入水箱和空氣.

1.2 測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

分別采用氣體質(zhì)量流量計和電磁流量計測量氣路和水路的流量，采用羅斯蒙特壓力變送器測量氣液路的壓力，實驗段差壓由羅斯蒙特差壓變送器測量.氣體質(zhì)量流量計、電磁流量計、壓力變送器和差壓變送器由24 VDC供電，輸出4～20 mA電流并在回路中串聯(lián)250 Ω電阻，從回路取出的1～5 V電壓信號由與電腦相連的20通道IMP采集板實時采集，各儀器參數(shù)如表1所示.

1.3 實驗方法

此次實驗溫度為16.85 ℃，實驗壓力為常壓.實驗時，先固定水流量逐漸增大氮氣流量并觀察流型變化，待流型確定后采集圖像和實驗數(shù)據(jù)，重復(fù)以上步驟可得不同工況下的流型圖和流動參數(shù).

1.3.1 流型圖的采集

將數(shù)碼相機(jī)通過連接線與電腦連接，并用SONY Imaging Edge軟件實時顯示和儲存圖像，以實現(xiàn)可視化，相機(jī)型號為DSC-RX100M6.實驗段采用透明的高分子材料制成，用以觀察并拍攝流型圖.

1.3.2 含氣率測量

實驗采用具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、測量精度高等優(yōu)點的快關(guān)閥門法測量含氣率[14].

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 水-氮氣兩相流型

在液相表觀速度范圍為0.15～1 m/s時，固定液相表觀速度，逐步增大氣相表觀速度，如圖2依次得到圓形小通道內(nèi)氣液兩相流型有：泡狀流、彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流.

2.1.1 泡狀流

泡狀流的特征是氣液兩相存在顯著的耦合并且氣相作為離散相被夾帶到連續(xù)的液相中.由圖3可以看出，氣相表觀速度固定時，氣泡數(shù)量隨著液相表觀速度的增大不斷增加而氣泡尺寸隨著液相表觀速度的增大減小且氣泡分布不斷向管道橫截面擴(kuò)散.這是由于液相剪切力不斷增大，迫使氣泡分散成更小尺寸的氣泡.

2.1.2 彈狀流

隨著氣相速度的增加，垂直向上圓形小通道內(nèi)小氣泡不斷融合成類似子彈狀的大氣泡，如圖2(b)所示.氣彈頭部呈尖狀而尾部較為扁平，直徑與管徑相當(dāng).如圖4所示，液相表觀速度為Usl=0.40 ms-1，氣相表觀速度分別為：Usg=0.42 ms-1，Usg=0.60 m s-1，Usg=0.73 m s-1，可以看出隨著氣相表觀速度的不斷增大，氣彈長度有較為明顯增加但是直徑基本無變化.值得注意的是在氣彈較短時，觀察到氣彈尾部呈波浪狀，這可能是由于垂直向上流動時浮升力與流動方向相同，增大了氣彈流動速度，對氣彈尾部產(chǎn)生了擾動.

(a)Usl=0.40 m/s (b)Usl=0.40 m/s (c)Usl=0.40 m/sUsg=0.42 m/s Usg=0.60 m/s Usg=0.73 m/s圖4 氣相表觀速度對彈狀流的影響

2.1.3 攪拌流

本文區(qū)分彈狀流和攪拌流的標(biāo)志是氣彈頭尾部是否被打破形成多個氣泡.表觀氣速再次增大，氣彈頭部開始扭曲變形并且氣彈尾部破裂產(chǎn)生的小氣泡夾雜在液相中，兩相相互擾動向前流動.如圖5所示，液相表觀速度為Usl=0.80 m s-1，氣相表觀速度分別為：Usg=4.95 m s-1，Usg=8.86 m s-1，可以看出隨著氣相表觀速度的增加氣彈兩端破碎程度加劇.

(a)Usl=0.80 m/s (b)Usl=0.80 m/sUsg=4.95 m/s Usg=8.86 m/s圖5 氣相表觀速度對攪拌流的影響

2.1.4 環(huán)狀流

當(dāng)氣相表觀速度相對液相表觀速度足夠大時，管壁上出現(xiàn)一層沿著管壁向上流動的薄液膜，管子核心部分為氣體，這就是典型的環(huán)狀流，如圖2(d)所示.環(huán)狀流時，進(jìn)一步增大氣速，自液膜產(chǎn)生的細(xì)小液滴會被夾帶至管道核心部分.如圖6所示，固定液相表觀速度為Usl=1.0 m s-1，氣相表觀速度分別為：Usg=14.07 m s-1，Usg=19.49 m s-1，隨氣相表觀速度的增加環(huán)狀液膜變得極不平緩，這是由于垂直上升管內(nèi)的環(huán)狀流存在皺波和擾動波[15].

(a)Usl=1.00 m/s (b)Usl=1.00 m/sUsg=14.07 m/s Usg=19.49 m/s圖6 氣相表觀速度對環(huán)狀流的影響

2.2 含氣率隨流型和單相表觀速度的變化

通過分析不同液相表觀速度和氣相表觀速度條件下得到的86組數(shù)據(jù)，得出含氣率隨流型和單相表觀速度的變化急劇變化.

2.2.1 含氣率隨流型的變化

圖7(a)～(d)表示了液相表觀速度Usl分別為0.15 m s-1、0.40 m s-1、0.80 m s-1、1.00 m s-1情況下，氣相表觀速度Usg從0.1～20 m s-1條件下得到的含氣率和流型變化圖.從圖中可以看出，泡狀流情況下含氣率急劇增加，彈狀流和攪拌流情況下含氣率平穩(wěn)增加，環(huán)狀流情況下含氣率基本保持不變.泡狀流和彈狀流時，含氣率通常在0.7以下(0<α<0.7).攪拌流時，含氣率通常在0.7和0.9之間(0.7≤α<0.9).環(huán)狀流時，含氣率通常大于0.9(0.9≤α<1).這是由于隨著氣相表觀速度的增加，泡狀流時進(jìn)入連續(xù)液相的氣泡不斷增加，彈狀流時氣彈長度不斷增加，氣彈尾部破裂形成的小氣泡進(jìn)入液相中形成的攪拌流是彈狀流向環(huán)狀流的過渡流型，環(huán)狀流時貼壁的液膜厚度不斷變小，如圖7(d)所示.

(a)Usl=0.15 m s-1時含氣率隨流型的變化

(b)Usl=0.40 m s-1時含氣率隨流型的變化

(c)Usl=0.80 m s-1時含氣率隨流型的變化

(d)Usl=1.00 m s-1時含氣率隨流型的變化圖7 含氣率隨流型的變化

2.2.2 含氣率隨單相表觀速度的變化

圖8給出了液相表觀速度Usl分別0.15 m s-1、0.40 m s-1、0.80 m s-1和1.00 m s-1情況下，氣相表觀速度Ugl從0.1～20 m s-1條件下得到的含氣率隨單相表觀速度的圖.從圖8可以看出，氣相表觀速度對含氣率影響較大.泡狀流時，隨著氣相表觀速度的增大含氣率急劇增加，含氣率通常在0.5以下(0<α<0.5).彈狀流和攪拌流時，隨著氣相表觀速度的增大含氣率平緩增加，含氣率在0.5和0.9之間(0.5≤α<0.9).環(huán)狀流時，隨著氣相表觀速度的增大含氣率基本保持不變，含氣率在0.9和0.99之間(0.9≤α<0.99).這是由于泡狀流時隨著氣相表觀速度的增加進(jìn)入連續(xù)液相的氣泡不斷增加并開始融合成大氣泡，大氣泡融合成大氣彈形成彈狀流且氣彈的長度不斷增加.隨著氣相表觀速度再次增加，氣彈尾部破裂產(chǎn)生的小氣泡進(jìn)入連續(xù)液相彈狀流轉(zhuǎn)變成攪拌流，環(huán)狀流時氣相剪切力不斷增大，液膜厚度變薄.

從圖8還可以看出，彈狀流和攪拌流情況下，液相表觀速度對含氣率有顯著的影響，隨著液相表觀速度的增加含氣率不斷減小.氣相表觀速度Usg為0.07 m s-1，液相表觀速度Usl分別為0.15 m s-1、0.40 m s-1、0.8 m s-1和1.00 m s-1情況下，此時為泡狀流，隨著液相表觀速度的增加含氣率基本保持不變，這是由于液相剪切力不斷增大，使得氣泡尺寸不斷減小.氣相表觀速度Usg為1.00 m s-1，液相表觀速度Usl分別為0.15 m s-1、0.40 m s-1、0.8 m s-1和1.00 m s-1情況下，此時為彈狀流或攪拌流，含氣率隨液相表觀速度的增加急劇減小.氣相表觀速度Usg為12.00 m s-1，液相表觀速度Usl分別為0.40 m s-1、0.8 m s-1和1.00 m s-1情況下，此時為環(huán)狀流，含氣率隨液相表觀速度的增加變化不大，這是由于環(huán)狀流液膜厚度不斷增大.

圖8 含氣率隨單相表觀速度的變化

3 含氣率實驗關(guān)聯(lián)式分析和驗證

3.1 含氣率實驗關(guān)聯(lián)式分析

已知文獻(xiàn)中有大量預(yù)測含氣率的實驗關(guān)聯(lián)，這些實驗關(guān)聯(lián)式可以分為四類[16]，分別是滑動比關(guān)聯(lián)式、KεH關(guān)聯(lián)式、漂移通量關(guān)聯(lián)式和一般實驗關(guān)聯(lián)式.滑動比關(guān)聯(lián)式是這種類型關(guān)聯(lián)式的廣義表達(dá)，由Butterworth在1975年提出，該類型關(guān)聯(lián)式是關(guān)于濕度(1-X)和干度X比的函數(shù).ΚεH關(guān)聯(lián)式是一個常數(shù)或者是無滑動或平均含氣率函數(shù)的倍數(shù).漂移通量表達(dá)式是關(guān)于分布參數(shù)C0和漂移速度的函數(shù).一般實驗關(guān)聯(lián)式是通過將基本物理參數(shù)代入其他物理參數(shù)推導(dǎo)出的.

3.2 實驗數(shù)據(jù)和含氣率實驗關(guān)聯(lián)式預(yù)測值對比

這些預(yù)測含氣率的實驗關(guān)聯(lián)式是由不同的研究人員在不同管徑、不同流型、不同流體組合和不同實驗壓力下基于有限數(shù)據(jù)得到的，故含氣率關(guān)聯(lián)式對垂直向上圓形小通道內(nèi)氣液兩相流含氣率預(yù)測的準(zhǔn)確性未知，因此有必要對其進(jìn)行驗證，本文選取Nicklin的漂移通量關(guān)聯(lián)式[17]進(jìn)行驗證，關(guān)聯(lián)式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：α為含氣率；Usg為氣相表觀速度，m s-1；Usl為液相表觀速度，m s-1；C0=1.2，為分布參數(shù)；g=9.8，為重力加速度；D為通道內(nèi)徑，mm.

圖9為實驗值與Nicklin的漂移通量模型預(yù)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從圖中可以看出關(guān)聯(lián)式預(yù)測值和實驗值偏差較大，Nicklin的漂移通量模型不能準(zhǔn)確預(yù)測垂直上升圓形小通道內(nèi)的含氣率.圓形小通道內(nèi)氣液兩相流含氣率預(yù)測是個有待深入研究的課題，作者下一步將對該課題進(jìn)行深入研究，推導(dǎo)可準(zhǔn)確預(yù)測小通道氣液兩相流含氣率的新關(guān)聯(lián)式.

圖9 實驗值與漂移通量模型預(yù)測值對比

4 結(jié)論

本實驗采用可視化手段對水力直徑為4.35 mm垂直向上圓形小通道內(nèi)流動機(jī)理和含氣率特性進(jìn)行研究，表觀氣速0.01～20 m/s，表觀液速0.15～1 m/s，可得到以下結(jié)論：

(1)垂直向上圓形小通道內(nèi)氣液兩相流型有：泡狀流、彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流.隨著氣相表觀速度的增加，泡狀流時，氣泡尺寸變小且氣泡向橫截面方向擴(kuò)散，彈狀流時，氣彈長度不斷增加，攪拌流時，氣彈頭尾破碎程度不斷加劇，小氣泡進(jìn)入連續(xù)液相，環(huán)狀流時，液膜變得極不平緩.

(2)含氣率隨流型變化明顯，泡狀流和彈狀流時含氣率通常在0.7以下(0<α<0.7)，攪拌流時含氣率在0.7和0.9之間(0.7≤α<0.9)，環(huán)狀流時含氣率大于0.9(0.9≤α<1)；隨氣相表觀速度的增大，泡狀流、彈狀流和攪拌流的含氣率急劇增加，而環(huán)狀流含氣率基本保持不變；隨液相表觀速度的增大，泡狀流和環(huán)狀流含氣率基本保持不變，彈狀流和攪拌流含氣率減小.

(3)將本實驗數(shù)據(jù)和Nicklin的漂移通量關(guān)聯(lián)式預(yù)測值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)該關(guān)聯(lián)式不能準(zhǔn)確預(yù)測垂直上升圓形小通道內(nèi)氣液兩相流含氣率.圓形小通道內(nèi)氣液兩相流含氣率預(yù)測是個有待深入研究的課題，作者下一步將對該課題進(jìn)行深入研究，推導(dǎo)可準(zhǔn)確預(yù)測小通道氣液兩相流含氣率的新關(guān)聯(lián)式.