孫 博，周云龍，劉啟超

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 132012)

氣液兩相流運動廣泛存在于能源、石油、海洋等多種工業(yè)領域中，且與人類生產生活密切相關。近年來隨著科學技術向漂浮式除鹽裝置及水下核潛艇領域的進一步開展，動態(tài)工況下水平管道內流體流動情況引起了國內外專家學者的廣泛關注[1-4]。海洋等自然條件的變化會引起設備元件發(fā)生搖擺、傾斜及振動等運功工況，相應改變氣液相分布情況，從而影響相關設備的安全運行。

海水繞流流過海底相應設備的懸空管道時，其產生的沖刷作用會引起通道產生橫向振動，從而導致通道內氣液兩相流體流動情況發(fā)生改變。由于氣液兩相流動過程極易受工作條件、流體性質、流動狀態(tài)等多方面因素影響，且相間總是伴隨質量、動量及熱量的傳遞過程[5]。因此，其表現(xiàn)出的轉變過程及各相速度與相濃度或相含率的不均勻性更為復雜。

截至目前，對于搖擺狀態(tài)下通道內兩相流動的研究已有較為完善的結論：搖擺引起的附加慣性力對流型及相關參數(shù)有較為顯著的影響，搖擺周期對空隙率及界面濃度有一定影響，而搖擺角度主要影響兩相流空泡份額[6-10]。李金輝等[11]針對工程實際應用中液體晃動對槽罐車前輪擺振系統(tǒng)的影響進行了研究，并提出了相應改進措施。與此同時，針對振動工況對氣液流動影響的報道日益增多。Pendyala等[12]通過對低頻振動形式下垂直通道內氣液相流動情況及壓降參數(shù)變化規(guī)律進行研究發(fā)現(xiàn)，層流流動工況下，振動可以強化換熱。周云龍等[13]針對非線性振動工況下水平通道內氣液相流動進行了探討分析，得出振動幅度主要影響液面波動高度，而振動頻率對液面波動的激烈程度有顯著影響。

基于上述原因，本文以工程實例中海水繞流引起的低頻高幅式振動工況為基礎，對水平通道內氣液兩相界面分布情況及流動特性進行了實驗研究。通過相應可視化研究，對比了不同振動工況下流型轉換界限的差異性，揭示了橫向振動工況下水平通道內流體流動參數(shù)的變化規(guī)律，以期為海底輸油管道懸空段檢測技術及相應設備的安全運行奠定一定理論基礎。

1 實驗裝置及原理

實驗流程圖如圖1所示。將穩(wěn)態(tài)兩相流實驗回路與振動裝置相結合，對橫向振動工況下水平通道內氣液兩相流動情況進行探討分析。試驗段為直徑35 mm、長2 m的透明有機玻璃管，將其水平固定于如圖2所示的橫向振動裝置上。目前市面上的液壓式或電磁式橫向振動試驗臺均能實現(xiàn)高頻低幅式振動，卻難以實現(xiàn)低頻高幅式振動工況。針對這一情況，本文將曲柄連桿原理應用于如圖2所示的振動裝置中，以此實現(xiàn)低頻高幅式振動工況。

圖1 實驗回路Fig.1 Schematic diagram of experimental loop

1.滑道；2.橫向振動平臺；3.變頻器；4.曲柄連桿；5.分輪；6.減速器；7.電機。圖2 振動裝置Fig.2 Schematic diagram of vibration configuration

實驗在常溫常壓下進行，通道在水平方向隨振動裝置按正弦規(guī)律Z=Asin(ωt)=Asin(2πft)做橫向振動，其中，A為振動幅度，f為振動頻率。實驗過程中，氣相體積流量范圍是0.2～60 m3/h，液相體積流量范圍是0.3～7 m3/h，利用高速攝影儀記錄氣液相分布情況。依據工程實際，本文所選取的振動頻率為0.5、0.8、0.9和1.0 Hz，振動幅度為60、80、100和120 mm。

受儀表精度影響，根據間接測量中不確定度的傳遞規(guī)則可得：液相電磁流量計的相對不確定度為0.2%，氣相質量流量計測量的相對不確定度為0.5%。

2 實驗結果與討論

2.1 流型分類及定義

Taitel等[14]把水平管內流型分為五類：間歇流(包括彈狀流和塞狀流)、光滑分層流、波狀分層流、分散泡狀流和環(huán)狀流，這種分類方式與Mandhane類似。Hewitt等[15]識別了彈狀流的一個子流型—半彈狀流(semi-slug)，作為單獨一個流型，流動特征是液彈沒有接觸管道的上壁面，現(xiàn)在一直被認為是波狀流的一種形式。Lin等[16]，把液彈瞬態(tài)和壁面接觸這種特征定義為一種新流型—準彈狀流(pseudo-slug)，被認為是彈狀流一種形式。由于流型定義是建立在主觀觀察的結果上，目前還沒建立統(tǒng)一公認的定義，所以人們廣泛采用普遍接受的流型劃分。在水平氣液兩相流中，由于氣液兩相密度差異，在重力場作用下，流型分配呈現(xiàn)不對稱性。常見水平管流型分類為泡狀流、彈狀流、分層流、波狀流和環(huán)狀流。

本文首先以振動幅度80 mm，振動頻率0.5 Hz的振動參數(shù)為例，對橫向振動工況下水平通道內氣液兩相流動進行實驗研究，得出的主要流型包括：泡狀流、彈狀流、波狀流、分層流及環(huán)狀流。

2.1.1 泡狀流

泡狀流氣液相分布情況如圖3所示。水平通道上壁面隨機分布著大小不同的細圓氣泡。穩(wěn)態(tài)下通道內泡狀流的基本特征與橫向振動的相似。然而,應該注意的是,在橫向振動工況下時，氣相以更為完整的類圓形氣泡懸浮于液相中。除此之外,在實驗中,不同于在穩(wěn)定狀態(tài)下氣泡直接與液相流動方向一致的現(xiàn)象,在橫向振動的情況下，氣泡在通道內的流動也伴隨著沿振動方向的拉伸和浮動。這種現(xiàn)象可以歸結為橫向振動所產生的附加力，使得小氣泡的碰撞作用更強。在慣性力、表面張力和壁面剪切力的共同作用下，小的氣泡更容易收斂并形成穩(wěn)定的形狀。對于穩(wěn)定條件下的氣泡流動，幾乎所有的微小氣泡都附著在通道的上壁面上。然而，在橫向振動的影響下，在通道的中心區(qū)域開始出現(xiàn)圓形氣泡，并且大部分的微小氣泡懸浮在液相中。整體來看，橫向振動對泡狀流氣液相分布情況，即流型定義沒有顯著影響。與之相比，氣泡尺寸出現(xiàn)了較為明顯的差異性，即橫向振動對截面含氣率有一定影響。

圖3 泡狀流Fig.3 Bubbly flow

2.1.2 彈狀流

如圖4所示,無論在穩(wěn)態(tài)或橫向振動,彈狀流的基本特征為氣相以狹長的氣彈形式附著于通道上壁面，沿主流方向隨液相以恒定的形狀運動。隨著液相的流動，氣彈以恒定的形狀粘附在上壁面上。在橫向振動的作用下,氣泡的邊界發(fā)生隨機波動，氣泡開始出現(xiàn)形狀不規(guī)則的變化。可以得出結論,隨著氣相流速的增加或振動幅度的增大,狹窄的泡沫會彼此粘附在一起,形成一個連續(xù)的界面。除此之外,從圖4中可以看到,大量的小氣泡粘附在氣彈表面。隨著流動的繼續(xù),大多數(shù)的小氣泡將懸浮在通道的上壁面,其他的小氣泡會聚集在每個氣彈的尾部。這種現(xiàn)象可以解釋如下:由于橫向振動,氣彈的不穩(wěn)定部分會分裂成大量小氣泡，與沿主流運動的液塞碰撞形成大量翻滾的細小氣泡，而部分來不及脫落氣彈的小氣泡則附著于氣彈上繼續(xù)運動。由此可知，橫向振動對彈狀流氣液相分布情況會產生一定影響，進而影響流型定義。

圖4 彈狀流Fig.4 Slug flow

2.1.3 波狀流

如圖5所示，穩(wěn)態(tài)下的波狀流的流動與橫向振動情況下的現(xiàn)象存在顯著差異。由于橫向振動，在穩(wěn)定條件下通道內的輕微波動的氣液界面變成了混沌的波狀流。由于振動幅值和頻率較小，氣液界面的波動相對平緩，類似于強烈的海浪。除此之外，液相沿通道流動，大量氣泡漂浮在氣液交界面的兩側。在橫向振動的影響下，界面的波動趨勢增大，導致小氣泡破裂。從而增加了液相與通道上壁面的接觸，有利于形成短時間的彈狀流。但由于流速小，氣柱的保留時間很短，液相迅速形成了連續(xù)的液膜?？梢酝茢?，當振動參數(shù)進一步增大時，橫向振動會引起流型的轉變，從而使過渡線發(fā)生偏移。這些波狀流的現(xiàn)象表明，在一定的振動參數(shù)范圍內，橫向振動對流態(tài)有顯著的影響。

圖5 波狀流Fig.5 Wave flow

2.1.4 分層流

分層流氣液相分布情況如圖6所示。在穩(wěn)態(tài)條件下，氣、液相之間存在明顯的氣液相分界面。對于橫向振動下通道內的流體流動，除了界面的輕微波動外，基本特征與穩(wěn)態(tài)條件下的氣液相分布相似。這一現(xiàn)象與周云龍等[17]的研究結果一致:對起伏振動工況下水平通道內氣液兩相流動情況的研究結論一致，振動參數(shù)相同時，氣相流速的增大會削弱振動參數(shù)對流體流動的作用效果。然而與之不同的是，分層流氣液相界面存在大量形狀規(guī)則的圓形氣泡，占據了液相的主體部分，且可維持穩(wěn)定并隨主流持續(xù)運動。與泡狀流類似，分層流型的氣液相分布受橫向振動的影響較小。但在振動的影響下，流型更容易形成嚴重的波動界面，從而促成了分層流向波狀流的轉變。

圖6 分層流Fig.6 Sratified flow

2.1.5 環(huán)狀流

由圖7可以看出，高速氣流攜帶部分液絲從通道中心區(qū)域快速通過，液相沿通道壁面以不同厚度的液膜形式隨主流運動。從總體上看，橫向振動下水平通道內環(huán)形流動的基本特征與穩(wěn)態(tài)下沒有顯著差異，也驗證了上述結論。如圖7所示，穩(wěn)態(tài)條件下，氣柱周圍液膜厚度基本相同。但是，在橫向振動的影響下，粘在通道底部的液膜明顯比粘在通道另一側的液膜厚。與波狀流動相似，液相中懸浮著大量形狀規(guī)則的圓形氣泡。因此，橫向振動對環(huán)狀流的影響不大。根據Catalina等[18]的結論，形成環(huán)形流需要更大的氣體流量。高速的氣流會產生較大的流動阻力和沖擊力，其遠遠大于橫向振動產生的附加力，從而保證了環(huán)狀流具有較好的穩(wěn)定性。

圖7 環(huán)狀流Fig.7 Annular flow

橫向振動相當于給通道內流體施加了一個沿振動方向的附加速度，且該速度方向與通道內流體主流速度方向垂直，此時流體微元受力情況發(fā)生了改變，其速度相應變成了原有速度與振動引起的附加速度的合成。由于本文在實驗過程中選用的是低頻高幅式振動形式，通道橫向振動破壞了近壁區(qū)域流體的流動邊界層，加劇了流體流動的紊亂程度，此時通道壁面對流體產生的流動阻力不能抵消液相所受到的合力，雖對流體流動趨勢沒有明顯影響，但會對其氣液相分布情況產生一定影響。

除此之外，流體的對流效應受振動頻率、振動幅度和流體性質等相關參數(shù)的影響，當通道做橫向振動時，通道壁面附近流體會產生很大的瞬時脈動速度，從而形成脈動渦流。在非線性作用的影響下，這些脈動渦流擾亂了流動邊界層，較大的振動幅度傳遞到流體內部，迅速增大流場自身能量，進而導致氣液相分布發(fā)生顯著改變。綜上所述，低頻高幅式的橫向振動工況對水平通道內流體氣液相分布情況，即流型定義沒有明顯影響，但會改變摩擦壓降及空隙率等相關流動特性參數(shù)，特別是對于含有氣泡的兩相流動形式。

2.2 橫向振動參數(shù)對流型圖的影響

穩(wěn)態(tài)工況下不同管徑水平通道內氣液兩相流動情況已有大量專家學者進行了探討并得出了較為統(tǒng)一的流型圖。Ran等[19]采用內徑為38.5 mm的試驗段，對水平通道內氣水兩相流動進行了實驗研究，并得出了相應流型轉換界限，結果如圖8中實線所示。該部分將本文所得穩(wěn)態(tài)工況下流型圖與之進行了對比，結果如圖8所示，其中穩(wěn)態(tài)工況下流型轉換界限如圖中虛線所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)工況下流型圖對比Fig.8 Comparison of flow regime map under stable condition

對比圖8中不同管徑通道內流型轉換界限可發(fā)現(xiàn)具有很高的吻合度。由此也進一步驗證了本文所采用實驗方法的可靠性。這也與Mandhane等[20]所得結論一致：對于尺寸在12～165 mm范圍的水平通道內氣液相分布情況，其流型轉換界限大體一致。

除此之外，將圖8所示的穩(wěn)態(tài)工況下氣液相分布情況與上文所示流型圖進行對比可知，與橫向振動工況相比，穩(wěn)定狀態(tài)下水平通道內氣液相分布情況，除界面波動程度外沒有顯著差異。然而，對于含有氣泡的典型流型，其氣泡生成頻率、氣泡體積及形狀均受到橫向振動的影響。部分大氣泡在橫向振動的作用下破裂成大量細彌散氣泡或分裂成細長氣彈。對此我們做出猜想，在一定振動參數(shù)下，部分細小氣泡也可能會合并形成形狀較為規(guī)則的氣泡，進而影響相應的流型轉換界限。

因此，針對上述結論，該部分對不同振動參數(shù)下水平通道內氣液兩相流動情況進行了進一步實驗研究，并繪制了相應的流型轉換界限圖，振動頻率及振動幅度對其產生的影響分別如圖9(a)和(b)所示。

圖9 不同振動參數(shù)下流型轉換界限Fig.9 Flow regime transition line under various transverse vibration parameters

由圖9可知，整體來看，隨振動頻率或振動幅度的增大，泡狀流與彈狀流轉換界限左移15%左右，彈狀流與分層流轉換界限右移20%左右，波狀流轉換界限上移10%左右，環(huán)狀流區(qū)域隨振動參數(shù)的增大，轉換界限逐漸左移。

如上文所述，形成穩(wěn)定的氣泡是慣性力、表面張力和壁面剪切力的共同作用效果。彈狀流的形成與液相速度有緊密聯(lián)系，當水平通道受到橫向振動時，維持原有氣泡形狀需要更高的液相流量來產生更高的湍動力，因此振動參數(shù)的增大導致其轉換界限向更高的液相速度移動。與此同時，振動參數(shù)的強弱及流體黏度等相關特性參數(shù)對流體流動過程中所產生的對流效應有顯著影響，當振動幅度或振動頻率發(fā)生改變時，水平通道內氣彈在強烈的對流作用下發(fā)生碰撞，從而促進氣泡聚合形成連續(xù)界面，因此波狀流區(qū)域增大。同理可知，對于分層流，其氣液相界面存留的部分細小氣泡在較大的振動附加力作用下發(fā)生破裂，從而減小了分層流區(qū)域。與之相比，對于氣液相流速均較大的環(huán)狀流，振動導致氣相周圍的液膜產生一定的波動，相應引起液膜厚度發(fā)生改變，破壞了液膜的穩(wěn)定性，其液膜厚度的改變也會相應影響流體流動阻力。此外，由于實驗中所采用的振動幅度較大，進一步增大了液膜附著于通道壁面的難度，因此維持環(huán)狀流需要更高的氣相流速。

3 結 論

本文采用實驗研究的方法，對穩(wěn)定及橫向振動工況下水平通道內氣液兩相流動情況進行了研究。得出的主要結論如下：

(1)橫向振動水平通道內氣液兩相流動主要流型包括泡狀流、彈狀流、分層流、波狀流及環(huán)狀流。其流型基本特征與穩(wěn)態(tài)工況大體一致。

(2)與穩(wěn)態(tài)工況相比，低頻高幅的橫向振動對流型定義沒有明顯影響，主要影響液面波動高度及氣泡生成尺寸及頻率。

(3)振動幅度和振動頻率的增大導致彈狀流及波狀流區(qū)域增大，分層流區(qū)域及環(huán)狀流區(qū)域減小。