含氣率特性實(shí)驗(yàn)研究-VORTEX-5使用

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．兩相流中，流型和含氣 率是重要參數(shù)．首先，流型不同換熱效果不同；其 次，含氣率是 計(jì) 算 其 他 物 理 參 數(shù) 的 關(guān) 鍵 參 數(shù)．隨 著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)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)，以水力直徑為劃分依據(jù)，水力直徑在１ｍｍ 和６ｍｍ 之間的通道被稱為小通道 ．與常規(guī)通道 相比，表面 效 應(yīng) 在 小 通 道 內(nèi) 兩 相 流 動(dòng) 時(shí) 起 很 大 作 用，使得兩者兩相流動(dòng)特性有很大不同．

１ 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

１．１ 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為滿足實(shí)驗(yàn)條件，作者設(shè)計(jì)并搭建了如圖１所 示的兩相流實(shí)驗(yàn)臺(tái)．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由循環(huán)水回路、氣路、 實(shí)驗(yàn)段以及測(cè)量系統(tǒng)等組成．從高壓氮?dú)馄苛鞒龅?氮?dú)庖来谓?jīng)過減壓閥、高精度針閥、氣體質(zhì)量流量 計(jì)、截止閥和混合器（ 旋渦混合器VORTEX-5，海門市其林貝爾提供），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(jì) 和 混 合 器．混 合 后 的 氮 氣－水兩相流體流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段，實(shí)驗(yàn)段流出的水和氮 氣分別排入水箱和空氣．


１．２ 測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

分別采用氣體質(zhì)量流量計(jì)和電磁流量計(jì)測(cè)量氣 路和水路的流量，采用羅斯蒙特壓力變送器測(cè)量氣 液路的壓力，實(shí)驗(yàn)段差壓由羅斯蒙特差壓變送器測(cè) 量．氣體質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)、壓力變送器和差 壓變送器由２４ＶＤＣ供電，輸出４～２０ｍＡ電流并在 回路中串聯(lián)２５０Ω電阻，從回路取出的１～５Ｖ電壓 信號(hào)由與電腦相 連 的２０通道ＩＭＰ 采集 板 實(shí) 時(shí) 采 集，各儀器參數(shù)如表１所示．

１．３ 實(shí)驗(yàn)方法

此次實(shí)驗(yàn)溫 度 為１６．８５ ℃，實(shí)驗(yàn) 壓 力 為 常 壓． 實(shí)驗(yàn)時(shí)，先固定水流量逐漸增大氮?dú)饬髁坎⒂^察流 型變化，待流型確定后采集圖像和實(shí)驗(yàn)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(dòng)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ＳＯ－ ＮＹＩｍａｇｉｎｇＥｄｇｅ軟件實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存圖像，以 實(shí) 現(xiàn)可視化，相機(jī)型號(hào)為 ＤＳＣ－ＲＸ１００Ｍ６．實(shí)驗(yàn)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(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、測(cè) 量 精 度 高等優(yōu)點(diǎn)的快關(guān)閥門法測(cè)量含氣率．

２ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在液相表觀速度范圍為０．１５～１ｍ／ｓ時(shí)，固定 液相表觀速度，逐步增大氣相表觀速度。氣相表觀速度固定時(shí)，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。環(huán)狀流時(shí)，進(jìn)一步增大氣速，自液膜產(chǎn)生的細(xì) 小液滴會(huì)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＝１．０ｍｓ－１，氣相表觀速度 分別為：Ｕｓｇ＝１４．０７ｍｓ－１，Ｕｓｇ＝１９．４９ｍｓ－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(dòng)波 。

３ 含氣率實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式分析和驗(yàn)證

有大量預(yù)測(cè)含氣率的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)，這 些實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián) 式 可 以 分 為 四 類，分別 是 滑 動(dòng) 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(shí)驗(yàn)關(guān) 聯(lián)式．滑動(dòng) 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(gè)常數(shù)或者是無滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)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． 這些預(yù)測(cè)含氣率的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)壓力下基于有限數(shù)據(jù)得到的，故含氣率關(guān)聯(lián) 式對(duì)垂直向上圓形小通道內(nèi)氣液兩相流含氣率預(yù) 測(cè)的準(zhǔn)確性未知，因此有必要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，本文 選取 Ｎｉｃｋｌｉｎ的漂移通量關(guān)聯(lián)式進(jìn)行驗(yàn)證。

４ 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用可視化手段對(duì)水力直徑為４．３５ｍｍ 垂直向上圓形小通道內(nèi)流動(dòng)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～ １ｍ／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(shí)，氣泡尺寸變小且氣泡向橫截 面方向擴(kuò)散，彈狀流時(shí)，氣彈長(zhǎng)度不斷增加，攪拌流 時(shí)，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(shí)，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(shí)含氣率通常在０．７以下（０＜α＜０．７），攪拌 流 時(shí) 含氣率在０．７和０．９之間（０．７≤α＜０．９），環(huán)狀流時(shí) 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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和 Ｎｉｃｋｌｉｎ的漂移通量關(guān)聯(lián) 式預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該關(guān)聯(lián)式不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(cè)是個(gè)有待深入研究的 課題，作者下一步將對(duì)該課題進(jìn)行深入研究，推導(dǎo) 可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)小通道氣液兩相流含氣率的新關(guān)聯(lián)式.