戴軍濤，劉莉，劉帥，顧漢洋，王科

（1 中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249； 2 上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

引 言

提高換熱效率是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略的必然要求。蒸汽發(fā)生器作為常用換熱設(shè)備，廣泛應(yīng)用于制冷領(lǐng)域和核反應(yīng)堆中，是能量輸出的重要換熱單元[1-2]。其中，螺旋管式蒸汽發(fā)生器具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、吸收熱應(yīng)力能力強(qiáng)、兩相流穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，因此，螺旋管是一種具有重要應(yīng)用前景和發(fā)展前途的換熱管型[5]。

泡狀流和塞狀流是螺旋管內(nèi)常見(jiàn)的兩種氣液兩相流型[6-7]，同時(shí)也是換熱過(guò)程初始階段的兩種流型。在流動(dòng)過(guò)程中，管道內(nèi)部分布大量的氣泡，但氣泡的相態(tài)分布特性及流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征與直管明顯不同[8-9]。這是因?yàn)槁菪龔澢墓艿罆?huì)產(chǎn)生二次流，同時(shí)管內(nèi)流體還會(huì)受到離心力的作用。與直管相比，氣泡不再呈現(xiàn)規(guī)律的對(duì)稱(chēng)分布，反而會(huì)向管道截面某一側(cè)偏移[10-11]。這種不對(duì)稱(chēng)且聚集的分布形式會(huì)影響傳熱性能，導(dǎo)致偏離泡核沸騰（departure from nucleate boiling, DNB)點(diǎn)發(fā)生改變[12]，且流型轉(zhuǎn)變界限、流動(dòng)阻力大小等均會(huì)受到影響[13-14]。因此，掌握螺旋管內(nèi)泡狀流與塞狀流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和氣泡分布特征是進(jìn)行換熱性能研究的前提。

對(duì)氣泡的研究首先需要對(duì)其進(jìn)行精確的測(cè)量。相比于直管，目前針對(duì)螺旋管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的測(cè)量手段還不夠豐富，現(xiàn)有的常用測(cè)量方法均有各自的局限性。例如，高速攝像技術(shù)[15-16]和射線(xiàn)法[17-18]等非接觸式測(cè)量方法對(duì)光學(xué)環(huán)境要求較高，并且受限于螺旋管道的三維空間扭轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。接觸式測(cè)量方法如探針?lè)╗19-20]往往只能在同一時(shí)間對(duì)單一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，不適用于流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的條件。為了測(cè)量整個(gè)流動(dòng)截面上的相分布情況，絲網(wǎng)探針測(cè)量技術(shù)[21-22]近年來(lái)被重視和應(yīng)用，并且在直管內(nèi)氣液兩相流研究中取得了較好的成果[23-24]，但目前尚無(wú)將絲網(wǎng)探針應(yīng)用到螺旋管中進(jìn)行氣液相態(tài)測(cè)量的先例。

本文基于自主研發(fā)的電導(dǎo)式絲網(wǎng)探針，將其應(yīng)用到螺旋管中，以空氣-水為工作介質(zhì)，對(duì)立式螺旋管內(nèi)泡狀流和塞狀流的氣泡動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首先利用絲網(wǎng)探針采集了不同流型典型工況下管道截面的空泡分布信號(hào)，然后開(kāi)發(fā)了空泡三維數(shù)據(jù)矩陣后處理算法，通過(guò)對(duì)氣液相態(tài)分布進(jìn)行可視化還原，同時(shí)提取氣泡的空間分布信息得到所有獨(dú)立氣泡的特征參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)螺旋管內(nèi)復(fù)雜氣液兩相流氣泡動(dòng)力學(xué)行為的精細(xì)測(cè)量，探究氣泡分布的系統(tǒng)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院反應(yīng)堆熱工水力實(shí)驗(yàn)室的氣液兩相流實(shí)驗(yàn)回路中進(jìn)行。如圖1所示，主要包括氣液兩相回路、螺旋管實(shí)驗(yàn)段、流動(dòng)參數(shù)采集系統(tǒng)和絲網(wǎng)探針測(cè)量系統(tǒng)。在室溫和常壓條件下，系統(tǒng)基本工作流程如下：空氣由壓縮機(jī)供給，流經(jīng)氣相轉(zhuǎn)子流量計(jì)并結(jié)合流量調(diào)節(jié)閥和旁通調(diào)節(jié)流量至目標(biāo)值，從實(shí)驗(yàn)段底端進(jìn)入氣液混合器；水由離心泵從儲(chǔ)水箱抽出輸送到液相電磁流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，通過(guò)旁通閥和流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水的流量至目標(biāo)值，隨后注入實(shí)驗(yàn)段底部與實(shí)驗(yàn)管同軸的入水圓腔，經(jīng)管壁蜂窩狀小孔均勻地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管與空氣混合；氣液混合物在螺旋管道內(nèi)充分發(fā)展后流入采集測(cè)量段，在測(cè)量段接近出口處安裝絲網(wǎng)探針進(jìn)行截面相分布的測(cè)量；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)段中安裝用來(lái)減弱圓管光線(xiàn)折射且與圓管同軸的矩形透明水箱，使用高速攝像機(jī)輔助拍攝，拍攝結(jié)果用于管內(nèi)流型初步判斷，以提高實(shí)驗(yàn)效率；流出實(shí)驗(yàn)段的氣液混合物通過(guò)旋風(fēng)氣液分離器進(jìn)行分離，空氣經(jīng)排氣口直接放空，水則流回儲(chǔ)水箱循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)中使用的流量計(jì)和高速攝像機(jī)的量程和不確定度見(jiàn)表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Experimental setup

表1 儀表量程和不確定度Table 1 Range and uncertainty of test instruments

實(shí)驗(yàn)段采用透明有機(jī)玻璃螺旋管，如圖2所示。螺旋管內(nèi)徑為30 mm，壁厚為5 mm，長(zhǎng)度為11650 mm，螺旋直徑為800 mm，螺距為160 mm，斜距角為3.9°，總共5.5圈。管道長(zhǎng)徑比約為388，能夠保證氣液兩相在管道中充分發(fā)展。螺旋管與其他管段之間采用法蘭連接，方便裝拆。氣液混合器中入水段外圍布置與管段同軸的環(huán)形空腔，空腔段管壁采用多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)，利用機(jī)加工的方式，管壁軸向、周向均勻布置直徑為1 mm 的小孔，入水段每排布置30 個(gè)小孔，沿軸向共10 排。本次實(shí)驗(yàn)中，氣相表觀(guān)速 度jg=0.04～0.10 m∕s，液 相 表 觀(guān) 速 度jl=0.20～2.67 m∕s。

圖2 可視化螺旋管實(shí)驗(yàn)段Fig.2 Transparent helically coiled tube

1.2 絲網(wǎng)探針

如圖3 所示為基于電導(dǎo)原理[25]自主開(kāi)發(fā)的16×16 規(guī)格絲網(wǎng)探針，可用于測(cè)量管道流動(dòng)截面上的氣液相態(tài)分布。傳感器由發(fā)射端和接收端組成，分別對(duì)應(yīng)縱向和橫向的正交電極線(xiàn)。電極線(xiàn)之間的交點(diǎn)即為測(cè)量節(jié)點(diǎn)，在激勵(lì)端進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，空氣和水在通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)時(shí)電路連通，由于電導(dǎo)率不同，在接收端會(huì)采集到不同的電信號(hào)。

圖3 絲網(wǎng)探針結(jié)構(gòu)實(shí)物圖及示意圖Fig.3 The real figure and schematic diagram of wire mesh sensor structure

電極絲采用直徑為0.1 mm 的不銹鋼絲，激勵(lì)端和接收端之間相鄰電極絲間距2 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集頻率為5000 Hz，采樣持續(xù)時(shí)間為2 s。通過(guò)絲網(wǎng)探針測(cè)量得到的氣液相態(tài)分布數(shù)據(jù)是基于時(shí)間尺度上的三維空泡份額矩陣αi,j,k，其中，i為橫向發(fā)射端絲網(wǎng)電極個(gè)數(shù)，j為縱向接收端絲網(wǎng)電極個(gè)數(shù)，k為時(shí)間尺度上的幀數(shù)。

1.3 校準(zhǔn)與標(biāo)定

在數(shù)據(jù)處理前，需要對(duì)絲網(wǎng)探針進(jìn)行標(biāo)定來(lái)確定其采集到的電信號(hào)與氣液相含率的關(guān)系。首先，讓純液相通過(guò)絲網(wǎng)，采集絲網(wǎng)探針測(cè)量純水時(shí)的電信號(hào)。然后，正式實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄氣液兩相流過(guò)絲網(wǎng)時(shí)的電信號(hào)。最后，使用更加精確的Maxwell關(guān)系式[26]得到管道截面的局部空泡份額。

式中，Ii,j,k為實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的電信號(hào)；Ii,j,water為標(biāo)定時(shí)純水測(cè)得的電信號(hào)。

在正式實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于氣泡靠近會(huì)導(dǎo)致絲網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所在的敏感體平均電導(dǎo)率增加而出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象[27]，因此在數(shù)據(jù)處理之前需要進(jìn)行預(yù)處理，將超調(diào)信號(hào)抹除。

2 數(shù)據(jù)后處理算法

2.1 流型重構(gòu)算法

基于絲網(wǎng)探針三維空泡份額數(shù)據(jù)矩陣，為了實(shí)現(xiàn)螺旋管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)過(guò)程的可視化，使流型的觀(guān)察和流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征的研究更加準(zhǔn)確，首先開(kāi)發(fā)了能夠還原三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的流型重構(gòu)算法。該算法的原理是將線(xiàn)性排列的數(shù)據(jù)矩陣按照螺旋管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)系的重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的還原。在坐標(biāo)系的重構(gòu)上，通過(guò)將螺旋管的幾何參數(shù)特征代入式（2）的螺旋變換公式即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化。

式中，R為螺旋管的螺旋半徑；θ為當(dāng)前數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度；h為螺旋管的螺距；x'、y'、z'為初始坐標(biāo)值；x、y、z為轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)值。

圖4為典型塞狀流的流型重構(gòu)分布。從圖中可以清楚看到氣液兩相在管道中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道內(nèi)氣塞和小氣泡分布的清晰、直觀(guān)觀(guān)測(cè)。該流型重構(gòu)算法適用于全流型，但缺點(diǎn)是不能提取氣泡的參數(shù)。

圖4 三維螺旋流型重構(gòu)典型結(jié)果Fig.4 Typical result of 3D flow pattern reconstruction

2.2 氣泡識(shí)別算法

為了定量研究螺旋管內(nèi)氣泡的分布規(guī)律，本文進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了氣泡識(shí)別算法。氣泡識(shí)別的核心在于當(dāng)前數(shù)據(jù)與其鄰域的比較上，一般通過(guò)以核心點(diǎn)向周?chē)M(jìn)行擴(kuò)充掃描的方式來(lái)進(jìn)行氣泡的識(shí)別提取。在絲網(wǎng)探針早期的研究中，Prasser 等[28-29]使用了遞歸填充的思路進(jìn)行氣泡核心的識(shí)別，并使用元胞自動(dòng)機(jī)算法對(duì)氣泡核心進(jìn)行擴(kuò)充。該算法的優(yōu)點(diǎn)是邏輯簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)更精確的動(dòng)閾值識(shí)別，但缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)容易面臨堆棧溢出的問(wèn)題，使得氣泡分割和合并的現(xiàn)象較為明顯。Santos 等[30]使用了非遞歸區(qū)域生長(zhǎng)算法，該算法較好地解決了遞歸填充不能處理大量數(shù)據(jù)的問(wèn)題，但區(qū)域生長(zhǎng)算法本身是二維的算法，直接將其應(yīng)用在三維結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致只能進(jìn)行大氣塞或者氣彈的識(shí)別，對(duì)小氣泡的識(shí)別效果較差。同時(shí)，Santos 等[30]使用的如圖5 所示的26 鄰域結(jié)構(gòu)效果并不如6 鄰域結(jié)構(gòu)識(shí)別效果好，造成了識(shí)別精度的降低。

圖5 鄰域結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Neighborhood structure

本文中氣泡識(shí)別算法主要基于非遞歸的區(qū)域生長(zhǎng)算法進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從二維結(jié)構(gòu)入手，將其改寫(xiě)成適用于三維結(jié)構(gòu)的新算法。同時(shí)，將其與元胞自動(dòng)機(jī)算法進(jìn)行匹配改寫(xiě)，通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)用鄰域，避免了區(qū)域生長(zhǎng)算法中26鄰域結(jié)構(gòu)帶來(lái)的準(zhǔn)確性低的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)了氣液兩相流動(dòng)過(guò)程中氣泡的識(shí)別與定位。該算法的主要工作流程如圖6所示。

圖6 氣泡識(shí)別算法工作流程Fig.6 Algorithm running process

根據(jù)標(biāo)定公式[式（1）]將絲網(wǎng)探針采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為含氣率分布矩陣后，開(kāi)始進(jìn)行氣泡識(shí)別。如圖7（a）所示，首先，需要對(duì)第一個(gè)時(shí)間幀下的氣泡起始點(diǎn)αi0,j0,k0進(jìn)行選擇。然后，將αi0,j0,k0作為種子值存儲(chǔ)，運(yùn)行單獨(dú)時(shí)間幀下的區(qū)域生長(zhǎng)算法，判斷種子點(diǎn)的含氣率與周?chē)?鄰域是否相似。若相似，則判定該點(diǎn)與種子點(diǎn)屬于同一氣泡。對(duì)該時(shí)間幀下的含氣率矩陣進(jìn)行遍歷，繼續(xù)重復(fù)區(qū)域生長(zhǎng)識(shí)別過(guò)程直到將所有氣泡識(shí)別完畢，算法實(shí)現(xiàn)效果如圖7（b）所示。最后，將識(shí)別算法向三維時(shí)間尺度擴(kuò)展，該過(guò)程最重要的是將前后兩幀的氣泡序號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。本文采用了元胞自動(dòng)機(jī)算法，在下一幀數(shù)據(jù)內(nèi)尋找局部最大含氣率αi,j,k(max)之后，圍繞該點(diǎn)構(gòu)建6鄰域，通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)算法對(duì)鄰域內(nèi)的含氣率分布進(jìn)行判定，從而確定新的αi,j,k(max)是否歸屬于上一幀的氣泡。將前后兩幀的氣泡關(guān)聯(lián)之后，如圖7（c）所示，遍歷整個(gè)矩陣即可識(shí)別所有氣泡，獲得測(cè)試段內(nèi)的氣泡數(shù)量并且可以確定每個(gè)氣泡的位置分布。

圖7 算法原理展示圖Fig.7 Algorithm principle

2.3 氣泡特征參數(shù)提取

使用氣泡識(shí)別算法將所有氣泡識(shí)別定位之后，氣泡特征參數(shù)如氣泡體積、等效直徑、弦長(zhǎng)等即可根據(jù)空間分布信息換算得到。為了獲得這些氣泡特征參數(shù)，首先需要確定氣相速度。

式中，jg為氣相表觀(guān)速度；vˉg為在時(shí)間空間上的平均氣相速度；αˉ為平均含氣率；vg(x,y,t)為氣泡的等效瞬時(shí)速度。

在得到單個(gè)氣泡的信息后，統(tǒng)計(jì)氣泡所占有的絲網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)量，根據(jù)氣泡穿過(guò)二維平面的速度，在時(shí)間尺度上積分即可得到氣泡體積。單個(gè)氣泡體積Vb計(jì)算如式（4）。

式中，Δx和Δy分別代表絲網(wǎng)探針橫向和縱向的電極間距；Δt表示時(shí)間間隔，由1∕fs得到，其中fs為測(cè)量頻率；vg(i,j,k)為每一個(gè)含氣率值對(duì)應(yīng)的速度，其大小與vg(x,y,t)相同。每一個(gè)含氣率矩陣坐標(biāo)（i,j,k）均對(duì)應(yīng)包含在氣泡內(nèi)，總的氣泡體積VB計(jì)算如式（5）。

式中，N為氣泡總數(shù)。

根據(jù)氣泡的體積Vb，氣泡的等效直徑Db計(jì)算如式（6）。

在計(jì)算氣泡弦長(zhǎng)時(shí)，需要將時(shí)間尺度轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度尺度。根據(jù)計(jì)算得到的氣相速度，可以將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度間隔，氣泡弦長(zhǎng)Lb計(jì)算如式（7）。

式中，kmax和kmin分別為氣泡在矩陣中對(duì)應(yīng)的最大和最小幀數(shù)。

2.4 算法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證絲網(wǎng)探針后處理算法的準(zhǔn)確性，結(jié)合后處理算法得到的氣相總體積流量Qg，通過(guò)式（8）和式（9）反推求得氣相的表觀(guān)速度jg，將其與流量計(jì)測(cè)得的表觀(guān)氣速進(jìn)行對(duì)比。

式中，T為測(cè)量時(shí)間；Qg為氣相體積總流量；A為管道橫截面積。

從圖8 中可以看出，基于絲網(wǎng)探針后處理算法得到的氣相表觀(guān)速度jg,cal與流量計(jì)測(cè)得的氣相表觀(guān)速度jg,exp相比，大部分結(jié)果均在±10%誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明絲網(wǎng)數(shù)據(jù)后處理算法是準(zhǔn)確可靠的。

圖8 算法準(zhǔn)確性驗(yàn)證Fig.8 Algorithm validation

3 結(jié)果與討論

3.1 泡狀流中氣泡分布規(guī)律

使用算法對(duì)泡狀流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行還原，同時(shí)將每個(gè)絲網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的含氣率最大值進(jìn)行投影得到橫截面的氣泡分布投影圖，典型結(jié)果如圖9所示，其對(duì)應(yīng)的三維流型重構(gòu)分布結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 和圖10 中結(jié)果表明，螺旋管內(nèi)泡狀流中氣泡主要分布于管道內(nèi)側(cè)和上側(cè)之間的區(qū)域，并以窄帶狀的形式向前流動(dòng)。隨著表觀(guān)液速的增加（jl=1.38～1.77 m∕s），氣泡數(shù)量增加并向圓心擴(kuò)散，氣泡所處的窄帶區(qū)范圍變大。隨著液速的持續(xù)增加（jl=1.77～2.16 m∕s），窄帶區(qū)域范圍不再擴(kuò)大，較大氣泡占主導(dǎo)，整體開(kāi)始出現(xiàn)向內(nèi)側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)液速足夠大時(shí)（jl=2.67 m∕s），液相受到的離心力占主導(dǎo)，氣相完全偏向內(nèi)側(cè)分布。此時(shí)，從流型重構(gòu)圖中可以看到較大氣泡減少，氣泡聚合的效應(yīng)逐漸消失，管道內(nèi)小氣泡重新占據(jù)主導(dǎo)。

圖9 泡狀流中氣泡分布特征（jg=0.04 m∕s）Fig.9 Bubble distribution in bubbly flow(jg=0.04 m∕s)

圖10 泡狀流三維流型重構(gòu)（jg=0.04 m∕s）Fig.10 3D reconstruction of bubbly flow(jg=0.04 m∕s)

通過(guò)算法提取泡狀流中氣泡的等效粒徑，得到氣泡等效粒徑的概率密度函數(shù)分布（PDF），如圖11所示。

圖11 中結(jié)果表明，隨著表觀(guān)液速的增加（jl=1.38～1.77 m∕s），等效直徑為10～18 mm 的大氣泡逐漸增多，說(shuō)明液速增加會(huì)促進(jìn)小氣泡聚并形成大氣泡。當(dāng)液速持續(xù)增加（jl=1.77～2.16 m∕s），氣泡的分布占比沒(méi)有明顯變化，與圖9 和圖10 得出的結(jié)論一致，此時(shí)流動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定階段。當(dāng)液速足夠大時(shí)（jl=2.67 m∕s），大氣泡不再出現(xiàn)，小氣泡占主導(dǎo)地位，說(shuō)明較大液速情況下液相的剪切效應(yīng)會(huì)分割大氣泡。

圖11 泡狀流中氣泡等效粒徑概率密度函數(shù)分布（jg=0.04 m∕s）Fig.11 PDF of bubble equivalent diameter in bubbly flow(jg=0.04 m∕s)

3.2 高液速塞狀流中氣泡分布規(guī)律

在泡狀流的基礎(chǔ)上增加氣速或減小液速，流型轉(zhuǎn)變?yōu)槿麪盍?。在塞狀流中，由于大氣塞的存在，使用投影圖的方法去分析氣相的分布規(guī)律不再適用，因此在觀(guān)察塞狀流的氣泡分布時(shí)，對(duì)每一個(gè)絲網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采集到的含氣率值進(jìn)行時(shí)間平均處理，得到橫截面上空泡份額的時(shí)間平均分布，典型結(jié)果如圖12 所示，其對(duì)應(yīng)的三維流型重構(gòu)分布結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖12 和圖13 中結(jié)果表明，在液速相對(duì)較低時(shí)（jl=1.38 m∕s），氣塞較大，氣泡數(shù)量少，離心力對(duì)氣相的影響較小，此時(shí)氣塞和氣泡主要分布在管道頂部。隨著液速的增加（jl=1.38～1.97 m∕s），氣泡數(shù)量逐漸增加，此外從氣泡時(shí)均分布特征（圖12）中可以看到截面分布范圍變小，說(shuō)明氣塞被液相剪切分割體積變小，同時(shí)液速的增加使得離心力逐漸占據(jù)主導(dǎo)作用，氣塞開(kāi)始向內(nèi)側(cè)偏移。當(dāng)液速足夠大時(shí)（jl=1.97～2.38 m∕s），氣塞偏移到管道內(nèi)側(cè)和上側(cè)之間的區(qū)域，并且其分布范圍明顯變小，說(shuō)明液相的剪切作用已經(jīng)非常明顯，導(dǎo)致氣塞與氣塞之間的氣泡數(shù)量急劇增多，氣塞表面的氣液相界面變得十分模糊。

圖12 高液速塞狀流中氣泡分布特征（jg=0.08 m∕s）Fig.12 Bubble distribution in high-liquid-velocity plug flow(jg=0.08 m∕s)

圖13 高液速塞狀流三維重構(gòu)（jg=0.08 m∕s）Fig.13 3D reconstruction of high-liquid-velocity plug flow(jg=0.08 m∕s)

圖14 給出高液速塞狀流中氣泡等效粒徑的概率密度函數(shù)分布（PDF）。結(jié)果表明，氣泡的等效直徑大小與泡狀流相比顯著增大，氣泡按等效直徑可大致分為10 mm 以下的小氣泡、10～20 mm 的大氣泡和20 mm以上的氣塞三種形式。在液速相對(duì)較低的情況下（jl=1.38 m∕s），氣泡主要以小氣泡和氣塞的形式存在。隨著液速增加（jl=1.38～2.38 m∕s），氣塞等效直徑減小，小氣泡占比減少，大氣泡的占比逐漸增加。說(shuō)明在高液速塞狀流中，液相對(duì)氣塞的分割效應(yīng)和對(duì)小氣泡的聚合效應(yīng)同時(shí)存在。

對(duì)比圖14 與圖11 的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)氣速的增加會(huì)促進(jìn)螺旋管內(nèi)泡狀流向塞狀流轉(zhuǎn)變，同時(shí)，氣液相界面不穩(wěn)定性增加，更容易發(fā)生氣相的聚合和分割。

圖14 高液速塞狀流中氣泡等效粒徑概率密度函數(shù)分布（jg=0.08 m∕s）Fig.14 PDF of bubble equivalent diameter in high-liquidvelocity plug flow(jg=0.08 m∕s)

3.3 低液速塞狀流中氣泡分布規(guī)律

在高液速塞狀流的基礎(chǔ)上降低液速，螺旋管中塞狀流的流動(dòng)特性發(fā)生明顯改變，典型結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖15 和圖16 的結(jié)果表明，在低液速塞狀流中，氣泡的數(shù)量明顯減少，氣塞位于管道上側(cè)，并未出現(xiàn)高液速塞狀流中氣塞向內(nèi)側(cè)偏移的情況。當(dāng)液速較低時(shí)(jl=0.20～0.40 m∕s），氣塞較長(zhǎng)，分布在管道上側(cè)，呈現(xiàn)類(lèi)似于“小彈狀流”的狀態(tài)且?guī)缀醪缓瑲馀荨．?dāng)液速增加到0.90 m∕s 時(shí)，氣塞明顯縮短，氣塞之間出現(xiàn)小氣泡，氣塞重心有向外側(cè)偏移的趨勢(shì)。液速增大到1.40 m∕s 時(shí)，氣塞的變化不明顯但氣塞數(shù)量減少，氣塞之間的氣泡明顯增多，受離心力影響氣塞向外側(cè)的偏移也更明顯。

圖15 低液速塞狀流中氣泡分布特征（jg=0.08 m∕s）Fig.15 Bubble distribution in low-liquid-velocity plug flow(jg=0.08 m∕s)

圖16 低液速塞狀流三維重構(gòu)（jg=0.08 m∕s）Fig.16 3D reconstruction of low-liquid-velocity plug flow(jg=0.08 m∕s)

圖17 給出低液速塞狀流中氣泡等效粒徑的概率密度函數(shù)分布（PDF）。同理，氣泡分為小氣泡、大氣泡和氣塞三種形式?？傮w上，低液速塞狀流中大氣泡的占比很小或幾乎不存在，氣塞的占比明顯增加。較低液速時(shí)（jl=0.20～0.40 m∕s），液速對(duì)氣塞的影響小，在氣速的推動(dòng)下，氣相主要以氣塞的形式存在。增大液速（jl=0.40～1.40 m∕s），液相對(duì)氣塞的影響恢復(fù)主導(dǎo)地位，氣塞被分割導(dǎo)致體積減小，小氣泡占比增加，但相比高液速塞狀流，液速仍較低，小氣泡的聚合效應(yīng)不明顯，大氣泡幾乎不存在。

圖17 低液速塞狀流中氣泡等效粒徑概率密度函數(shù)分布（jg=0.08 m∕s）Fig.17 PDF of bubble equivalent diameter in low-liquidvelocity plug flow(jg=0.08 m∕s)

4 結(jié) 論

本文基于自主開(kāi)發(fā)的絲網(wǎng)探針技術(shù)，對(duì)螺旋管內(nèi)泡狀流和塞狀流的流型結(jié)構(gòu)特征和氣泡分布特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下。

（1）自主開(kāi)發(fā)了電導(dǎo)式絲網(wǎng)探針測(cè)量技術(shù)與用于流型三維重構(gòu)和氣泡識(shí)別分析的數(shù)據(jù)后處理算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺旋管內(nèi)泡狀流與塞狀流流型結(jié)構(gòu)和氣泡特征參數(shù)（粒徑、體積）的精細(xì)化測(cè)量。

（2）泡狀流中氣泡在管道的內(nèi)側(cè)和上側(cè)之間區(qū)域以窄帶狀形式分布，氣泡密集但不聚合。隨著液速的增加，氣泡經(jīng)歷了由小氣泡聚合成大氣泡再被分割成小氣泡的歷程。

（3）塞狀流中氣泡主要分為小氣泡、大氣泡和氣塞三種形式，其中，氣速的增加使泡狀流向高液速塞狀流轉(zhuǎn)變，氣液相界面不穩(wěn)定性增加。隨著液速的增加，小氣泡和氣塞均向大氣泡轉(zhuǎn)變。

（4）低液速塞狀流中初始階段小氣泡和大氣泡均很少，氣塞以帶狀的形式存在。液速升高，氣塞變短，小氣泡增加，但聚合效應(yīng)不明顯，大氣泡幾乎不存在。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——管道橫截面積，m2

Db——?dú)馀莸刃е睆?，mm

Dc——螺旋直徑，mm

fs——測(cè)量頻率，Hz

h——螺距，mm

I——無(wú)量綱電信號(hào)

jg——表觀(guān)氣速，m∕s

jl——表觀(guān)液速，m∕s

k——采集數(shù)據(jù)的幀數(shù)

L——螺旋高度，mm

Lb——?dú)馀菹议L(zhǎng)，mm

N——?dú)馀輸?shù)量

Qg——?dú)怏w流量，m3∕s

R——螺旋半徑，mm

T——測(cè)量時(shí)間，s

VB——?dú)庀嗫傮w積，mm3

Vb——?dú)馀蒹w積，mm3

vg——?dú)馀菟俣龋琺∕s

x,y,z——螺旋變換后的坐標(biāo)值

x',y',z'——初始時(shí)刻坐標(biāo)值

α——空泡份額

θ——時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，rad

下角標(biāo)

b——?dú)馀?/p>

cal——計(jì)算結(jié)果

exp——實(shí)驗(yàn)結(jié)果

g——?dú)庀?/p>

i——橫向發(fā)射端電極絲個(gè)數(shù)

j——縱向接收端電極絲個(gè)數(shù)

k——采集數(shù)據(jù)的幀數(shù)

l——液相

max——最大值

min——最小值