劉國(guó)強(qiáng)，孫立成,2，閻昌琪，田道貴

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001;2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

管內(nèi)向下兩相流動(dòng)現(xiàn)象在核電、化工生產(chǎn)、新型換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)及石油開采等工業(yè)領(lǐng)域都會(huì)遇到[1-3]。例如：在新一代輕水反應(yīng)堆核電站的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中，常用的一種設(shè)計(jì)是利用自然循環(huán)將堆芯或蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽引入到豎直布置于高位水箱中的冷凝換熱器內(nèi)，蒸汽在豎直布置的冷凝管內(nèi)不斷冷凝，從而將堆芯熱量導(dǎo)出，此時(shí)冷凝管內(nèi)為向下兩相流；在石油開采中，為了保持油藏的壓力，使油井能靠自身的壓力產(chǎn)油，通常向油藏中注入氣水混合物，這是提高石油采收率的一個(gè)重要手段；另外，在一些類型的鍋爐中，也會(huì)出現(xiàn)向下氣液兩相流動(dòng)。

兩相流動(dòng)中界面結(jié)構(gòu)對(duì)相間的界面輸運(yùn)過程至關(guān)重要，而截面含氣率和界面面積濃度是表征界面特征最重要的兩個(gè)參數(shù)，在兩相流熱工水力特性分析中至關(guān)重要。因此，獲得空泡份額、界面面積濃度及氣泡頻率等局部參數(shù)的分布特性，是進(jìn)一步研究向下兩相流動(dòng)中界面輸運(yùn)過程的必要條件。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)豎直向上兩相流動(dòng)的研究已開展多年，取得了很多研究成果[4-6]，但對(duì)于向下兩相流動(dòng)的研究還不多，特別是對(duì)界面輸運(yùn)過程的研究還很不充分。本文借助自研的雙探頭光纖探針及光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)管內(nèi)向下流動(dòng)泡狀流界面參數(shù)分布特性進(jìn)行研究，旨為向下兩相流動(dòng)的界面輸運(yùn)過程研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)回路

實(shí)驗(yàn)回路主要由水回路和氣回路組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)段選用內(nèi)徑為50 mm的透明有機(jī)玻璃圓管，水通過離心泵的驅(qū)動(dòng)進(jìn)入混合腔，而空氣通過空壓機(jī)加壓貯存于高壓氣罐內(nèi)，并由高壓儲(chǔ)氣罐供給。兩者相繼進(jìn)入混合腔，水和空氣在混合腔內(nèi)進(jìn)行充分混合，然后進(jìn)入豎直的可視實(shí)驗(yàn)段。通過實(shí)驗(yàn)段后，空氣、水經(jīng)回水管路匯入水箱，水在水箱內(nèi)循環(huán)使用，而空氣則經(jīng)自然分離釋放到大氣中。通過在回水管路設(shè)置調(diào)節(jié)閥使實(shí)驗(yàn)段內(nèi)壓力為正壓，并借助排水閥排除由混合腔進(jìn)入氣回路內(nèi)的液體。

1.2 氣液混合腔

實(shí)驗(yàn)采用文丘里管結(jié)構(gòu)的氣液混合腔，氣液混合腔由套管及文丘里管組成(圖2)。借助文丘里管突縮突擴(kuò)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使液相流經(jīng)混合腔時(shí)在喉管內(nèi)形成負(fù)壓，從而將空氣通過文丘里管與套管之間的小孔吸入喉管，并在漸擴(kuò)區(qū)域被強(qiáng)烈的紊流作用打碎成細(xì)小氣泡，形成均勻的兩相流動(dòng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路簡(jiǎn)圖

圖2 混合腔剖面圖

水流量和氣流量全部由質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量精度分別為0.2級(jí)和1級(jí)。在實(shí)驗(yàn)段L/D(L為實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度，D為圓管內(nèi)徑)為24及34處安裝有精度為0.1級(jí)的壓力傳感器。探針距實(shí)驗(yàn)段入口1.2 m，沿半徑方向從中心線向壁面設(shè)置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，與通道中心的相對(duì)距離ri/R(i=0，…，11；R為通道半徑)分別為0、0.16、0.32、0.44、0.56、0.68、0.76、0.84、0.88、0.92和0.96。液相表觀速度范圍為0.43～0.71 m/s，氣相表觀速度范圍為0.004～0.077 m/s。

實(shí)驗(yàn)中，利用探針獲取的光信號(hào)，經(jīng)放大轉(zhuǎn)化系統(tǒng)處理后，變成電壓數(shù)字信號(hào)，再由NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，并存于計(jì)算機(jī)中。采集時(shí)間和采集頻率分別為120 s和10 kHz，以保證得到足夠的數(shù)據(jù)量，確保數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)采用自研雙探頭光纖探針對(duì)界面面積濃度、空泡份額、氣泡頻率等局部界面參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)介紹了雙探頭光纖探針的結(jié)構(gòu)及其對(duì)氣液兩相局部界面參數(shù)的測(cè)量原理。文獻(xiàn)[8]分別采用高速攝影儀和光纖探針兩種方法獲得空泡份額，并對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較，兩者的相對(duì)偏差在10%以內(nèi)，這進(jìn)一步說明應(yīng)用光纖探針對(duì)空泡份額進(jìn)行測(cè)量是可行的。本實(shí)驗(yàn)采用的光纖探針及數(shù)據(jù)處理方法與文獻(xiàn)[8]相同。

局部界面面積濃度是指單位體積內(nèi)兩相界面的面積大小，采用Kataoka等提出的模型進(jìn)行計(jì)算：

tan 0.5α0ln(sin 0.5α0))

(1)

(2)

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)偏差σz，首先通過多普勒技術(shù)得到viz(界面速度在z軸方向上的分量)的光譜，再由σz與viz的關(guān)系進(jìn)行求解，由下式計(jì)算：

(3)

局部氣泡頻率指單位時(shí)間內(nèi)通過局部測(cè)點(diǎn)的氣泡數(shù)目，可通過統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)前端探頭信號(hào)出現(xiàn)高電勢(shì)的次數(shù)得到。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 局部界面參數(shù)徑向分布

豎直向下兩相流動(dòng)中空泡份額、界面面積濃度、氣泡頻率3個(gè)局部界面參數(shù)的徑向分布如圖3所示?？砂l(fā)現(xiàn)，各局部界面參數(shù)徑向分布特點(diǎn)相似。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果，向上兩相流動(dòng)中局部界面參數(shù)徑向分布主要呈“壁峰”或“核峰”兩種類型分布，而向下流動(dòng)局部界面參數(shù)徑向分布呈“喇叭”型、“偏離核峰”或“核峰”型分布[9-13]。本實(shí)驗(yàn)條件下，由于液相速度較低，各局部界面參數(shù)出現(xiàn)“壁峰”及“寬峰”型分布?！皩挿濉毙头植寂c前文提到的“喇叭”型、“偏離核峰”型類似。由圖3可看出：液相表觀速度jf=0.43 m/s且氣流量較高時(shí)，局部界面參數(shù)在圓管中心區(qū)域較均勻，在近壁區(qū)呈現(xiàn)峰值，即呈“壁峰”型分布；氣流量較低且00.8時(shí)，局部界面參數(shù)逐漸減小到一定值并出現(xiàn)一拐點(diǎn)，拐點(diǎn)后呈平滑分布，即為“寬峰”型分布。當(dāng)0.57 m/s≤jf≤0.71 m/s，氣流量較低時(shí)，局部界面參數(shù)徑向分布均呈“寬峰”型分布；氣流量較高時(shí)，隨著水流量的增加，局部界面參數(shù)逐漸由“壁峰”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩挿濉毙头植?；而隨著水流量的不斷加大，空泡份額、界面面積濃度不斷減少，同時(shí)沿徑向分布變得更為均勻，這是由于湍流擴(kuò)張力隨著水流速度的增加而增大，使氣泡的徑向分布更加均勻。隨著水流量的不斷增加，氣泡頻率逐漸增大，這主要是氣泡尺寸隨著液流量的增加而變小所引起的。

圖3 局部界面參數(shù)徑向分布

3.2 豎直向上、向下兩相流動(dòng)局部參數(shù)對(duì)比

液相表觀速度為0.57 m/s時(shí)，豎直向上、向下兩種條件下局部界面面積濃度和空泡份額沿徑向分布特性示于圖4?？砂l(fā)現(xiàn)，豎直向上流動(dòng)時(shí)，兩者呈現(xiàn)“壁峰”型分布，而豎直向下流動(dòng)時(shí)則呈“寬峰”型分布，且在主流區(qū)域參數(shù)值均比向上流動(dòng)時(shí)的大，僅在壁面附近參數(shù)值比向上時(shí)的小；向下流動(dòng)時(shí)空泡份額截面平均值比向上流動(dòng)時(shí)大119.6%～145.0%，而界面面積濃度截面平均值比向上流動(dòng)時(shí)大18.8%～82.5%。這主要是由于在氣液兩相向下流動(dòng)中，浮力與氣泡運(yùn)動(dòng)方向相反，降低了氣泡的運(yùn)動(dòng)速度，導(dǎo)致通道內(nèi)氣泡數(shù)量增加，從而使界面面積濃度和空泡份額均隨之增加。

3.3 局部界面參數(shù)徑向分布形成原因

通過以上分析可發(fā)現(xiàn)：本實(shí)驗(yàn)條件下，在豎直向下兩相流動(dòng)中，局部界面參數(shù)徑向分布主要呈“寬峰”型或“壁峰”型分布。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)局部界面參數(shù)徑向分布的研究結(jié)果得知，氣泡徑向受力是決定局部界面參數(shù)徑向分布的主要原因。其中，Tomiyama提出的橫向升力模型[14]為：

圖4 局部界面參數(shù)徑向分布

(4)

式中：CT、ρL、db、VG、VL分別為升力系數(shù)、液體密度、氣泡直徑、氣相軸向絕對(duì)速度及液相軸向絕對(duì)速度；rotVL為液相速度旋度。

根據(jù)式(4)可知 ，升力方向與升力系數(shù)、相對(duì)速度有關(guān)，而升力系數(shù)主要與氣泡尺寸有關(guān)。當(dāng)兩者均為正值時(shí)，升力方向指向管道壁面，從而驅(qū)使氣泡向壁面運(yùn)動(dòng)；當(dāng)兩參數(shù)為一正一負(fù)時(shí)，升力方向指向圓管中心，驅(qū)使氣泡向管道中心區(qū)域運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)條件下，氣泡尺寸均小于5 mm，故升力系數(shù)為正值。氣相速度由于受到浮力的抑制作用使其在圓管中心區(qū)域明顯低于對(duì)應(yīng)的液相速度；在壁面附近，不同于向上兩相流動(dòng)中液相速度徑向分布在近壁區(qū)逐漸降低，向下流動(dòng)液相速度在壁面附近速度較高[9]，而相應(yīng)位置的氣相速度則較低，故向下流動(dòng)中氣液相對(duì)速度沿直徑方向均為負(fù)值。結(jié)合以上分析可發(fā)現(xiàn)，由于相對(duì)速度項(xiàng)為負(fù)值，使得升力為負(fù)值，從而驅(qū)使氣泡向圓管中心區(qū)域運(yùn)動(dòng)，而又由于湍流擴(kuò)散力具有使管內(nèi)氣泡均勻分布的作用，故兩力的共同作用致使局部界面參數(shù)徑向呈“寬峰”型分布。而根據(jù)Rouhani[15]的研究結(jié)果可知，由于管道內(nèi)湍流的作用產(chǎn)生離心力，驅(qū)使氣泡向壁面運(yùn)動(dòng)，而由于壁面力抑制氣泡向壁面運(yùn)動(dòng)從而使局部參數(shù)呈“壁峰”分布。

4 結(jié)論

通過自研的雙探頭光纖探針，獲得了豎直向下氣液兩相流的局部空泡份額、氣泡頻率及界面面積濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分布規(guī)律，主要研究結(jié)論如下：

1) 空泡份額、氣泡頻率及界面面積濃度徑向分布相類似，不同工況下均呈“寬峰”或“壁峰”型分布。

2) 氣泡頻率隨液相表觀速度的增加逐漸增大，而空泡份額、界面面積濃度則逐漸減小。

3) 向下氣液兩相流動(dòng)中空泡份額、界面面積濃度截面平均值較向上兩相流動(dòng)中的高。在液相表觀速度為0.57 m/s時(shí)，向下流動(dòng)時(shí)空泡份額截面平均值均比向上流動(dòng)時(shí)大119.6%～145.0%，界面面積濃度截面平均值比向上流動(dòng)時(shí)大18.8%～82.5%。

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