閻昌琪，金光遠(yuǎn)，孫立成，王 洋

（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）

傾斜和搖擺狀態(tài)下矩形通道內(nèi)泡狀流局部參數(shù)特性研究

閻昌琪，金光遠(yuǎn)，孫立成，王 洋

（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）

在傾斜和搖擺條件下，對(duì)矩形通道（40mm×3mm）內(nèi)泡狀流的局部參數(shù)分布特性進(jìn)行了研究。豎直條件下，“核峰”和“壁峰”分布形式在實(shí)驗(yàn)中都有出現(xiàn)；在液相折算速度較小和氣相折算速度較大的工況下，局部參數(shù)呈現(xiàn)“核峰”分布。傾斜條件下，通道上方的峰值隨傾斜程度的增加而變大，而通道下方的峰值隨傾斜程度的增大而減弱，直至消失。搖擺條件下，當(dāng)搖擺角度與傾斜角度相同且逐漸增加時(shí)，局部參數(shù)的分布主要體現(xiàn)在通道上方峰值的增加，但不改變出現(xiàn)峰值的位置，相應(yīng)地，通道下方的峰值略有減少。不同搖擺工況下，搖擺振幅越大，搖擺運(yùn)動(dòng)的程度越劇烈，其對(duì)相同傾斜角度的峰值的影響也越大。

搖擺條件；傾斜條件；矩形通道；空泡份額；界面面積濃度

泡狀流廣泛存在于石油化工、能源動(dòng)力（如核能）、制冷、航天器開發(fā)等行業(yè)中，對(duì)于泡狀流的空泡份額、界面面積濃度（IAC）、漂移模型計(jì)算和摩擦特性的研究已開展多年［1－5］。矩形通道內(nèi)，對(duì)于泡狀流的研究主要集中于阻力特性、氣泡漂移速度、分布參數(shù)、界面參數(shù)（空泡份額和界面面積濃度等）、氣泡頻率、氣泡幾何尺寸（如Sauter直徑、均周等效直徑等）、氣泡受力等內(nèi)容［6－9］，由于測(cè)量手段的增加，測(cè)量精度也有升高，近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)于泡狀流的研究逐漸呈現(xiàn)由宏觀向微觀轉(zhuǎn)變的過(guò)程。

Kim等［7］使用雙探頭電導(dǎo)探針對(duì)1cm× 20cm的矩形通道內(nèi)空氣-水上升流動(dòng)泡狀流的局部空泡份額進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空泡份額在矩形通道中呈現(xiàn)與圓管相似的管中間值較低、近壁面處值較高的“壁峰”型分布。Shen等［10］通過(guò)處理高速攝影下窄矩形通道內(nèi)的圖像對(duì)7個(gè)軸向位置的泡狀流發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了已有典型漂移流模型計(jì)算空泡份額和界面面積濃度的有關(guān)結(jié)論。綜合泡狀流各參量的研究來(lái)看，目前對(duì)于泡狀流局部參數(shù)的研究并不全面，對(duì)于局部參量的分布形式、氣泡受力以及不同形式的管道內(nèi)部泡狀流特性的研究并不深入，傾斜、搖擺條件下矩形通道內(nèi)泡狀流局部參數(shù)特性的研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文就上述內(nèi)容開展研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)選取長(zhǎng)為2 000mm、寬為40mm、高為3mm的透明有機(jī)玻璃矩形通道，通道寬高比為13.3，水力直徑為5.58mm。長(zhǎng)、寬、高的測(cè)量誤差分別為±0.1、±0.02、±0.02mm。兩個(gè)壓力傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)段寬邊方向，距離為1 000mm，為消除入口段效應(yīng)，下測(cè)壓點(diǎn)布置在距入口500mm處（L／D＝89.6），壓力傳感器選用精度等級(jí)為0.1的PR35X壓力變送器，上下測(cè)壓點(diǎn)壓力變送器量程分別為100kPa和250kPa。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由測(cè)量系統(tǒng)、氣回路和水回路3部分組成。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為空氣和去離子水?？諝庥蓧嚎s機(jī)壓縮后儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中?？諝鈴膬?chǔ)氣罐流出后，通過(guò)減壓閥保證壓力穩(wěn)定，經(jīng)氣相質(zhì)量流量計(jì)（型號(hào)Promass83，精度0.1）測(cè)量流量后，進(jìn)入混合腔，流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段后，最終在實(shí)驗(yàn)段上方排入大氣。水箱內(nèi)的水在水泵驅(qū)動(dòng)下，分別流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥和質(zhì)量流量計(jì)（型號(hào)Promass83，精度0.1），流入混合腔后與來(lái)自氣回路的空氣充分混合，之后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，最終回到水箱。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of experimental system

流量與壓力信號(hào)由NI采集系統(tǒng)采集，采樣頻率為256Hz。實(shí)驗(yàn)在常壓下進(jìn)行，液相折算速度為1.12～2.59m／s，氣相折算速度為0.071～0.160m／s。

實(shí)驗(yàn)段主體管路固定在搖擺臺(tái)架上，通過(guò)膠質(zhì)軟管與供水供氣系統(tǒng)連接，搖擺臺(tái)如圖2所示。搖擺臺(tái)由液壓驅(qū)動(dòng)，根據(jù)設(shè)定的搖擺周期和角度繞轉(zhuǎn)軸做正弦搖擺運(yùn)動(dòng)，可設(shè)定的搖擺周期T和搖擺幅度θm分別為5～16s和5°～30°，搖擺臺(tái)自帶角度的采集系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)段流量及壓力信號(hào)采集保持同步。實(shí)驗(yàn)中選取的搖擺工況為：θm＝5°／T＝8s、θm＝10°／T＝8s、θm＝15°／T＝8s、θm＝15°／T＝12s、θm＝15°／T＝16s。圖2所示搖擺臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為搖擺運(yùn)動(dòng)的正角度，同時(shí)定義順／逆時(shí)針?lè)较颍瑩u擺臺(tái)逆時(shí)針經(jīng)過(guò)10°，定義角度為10°＋。

圖2 搖擺臺(tái)側(cè)視圖Fig.2 Side view of rolling platform

搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下：

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)矩形通道中心平行于寬邊方向的泡狀流局部參數(shù)進(jìn)行研究。如圖3所示，在矩形通道中心，平行于寬邊方向，沿x軸設(shè)定11個(gè)點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)與通道左側(cè)邊緣的距離與通道寬邊的比值分別為0.045、0.136、0.227、0.318、0.409、0.500、0.590、0.682、0.773、0.864、0.955。

圖3 局部測(cè)量位置設(shè)定Fig.3 Local measurement locations

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

空泡份額與界面面積濃度通過(guò)高速攝影儀直接拍攝的圖像計(jì)算得到。本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定高速攝影視場(chǎng)為480×720像素平面，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)段可視范圍為40mm×60mm，由于高速攝影對(duì)于氣泡位置的誤差是±1像素點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算，實(shí)際對(duì)于氣泡位置的誤差為±0.08mm。

圖像處理過(guò)程示意圖如圖4所示，具體過(guò)程為：1）將氣泡圖像轉(zhuǎn)化成矩陣數(shù)據(jù)（本實(shí)驗(yàn)中先將其轉(zhuǎn)換成256灰度圖）；2）通過(guò)圖像邊緣的“膨脹”與“收縮”等圖像處理使氣泡邊界凸顯并閉合；3）設(shè)定灰度閾值或氣泡邊界的梯度閾值，將圖像轉(zhuǎn)換成黑白圖；4）讀取氣泡邊界，再次增強(qiáng)邊界對(duì)比度和數(shù)據(jù)平滑度；5）標(biāo)記氣泡；6）讀取圖像平面上的氣泡數(shù)目、表面積、周長(zhǎng)和等周長(zhǎng)氣泡直徑等幾何參數(shù)；7）計(jì)算空泡份額、界面面積濃度、氣泡頻率等參數(shù)。

圖4 圖像處理過(guò)程Fig.4 Image processing

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的泡狀流，如果測(cè)得的氣泡外等周直徑小于3mm，則假設(shè)氣泡為圓球形，如果測(cè)得的氣泡外等周直徑大于3mm，這種情況下的氣泡一般呈餅狀。此時(shí)，可認(rèn)為在寬邊上的液膜非常薄，可忽略。

局部點(diǎn)空泡份額和截面平均空泡份額的計(jì)算通過(guò)局部氣泡占有的體積與所研究區(qū)域占有的通道總體積的比值決定。局部空泡份額的計(jì)算如下：

其中：n為每張圖片中研究區(qū)域的氣泡個(gè)數(shù)；V0為視場(chǎng)范圍11等分后研究區(qū)域的體積，654.54mm3。

局部點(diǎn)界面面積濃度的計(jì)算通過(guò)局部的界面表面積與所研究區(qū)域占有的通道總體積的比值決定（需注意，對(duì)于餅狀氣泡的表面積，要計(jì)算兩個(gè)與通道接觸的圓形面積與側(cè)面部分的表面積之和）。局部界面面積濃度的計(jì)算如下：

由于在泡狀流局部參量的研究中，Sauter平均直徑是一重要的體現(xiàn)氣泡直徑的幾何尺寸，局部氣泡的Sauter平均直徑Dsmi為：

局部氣泡頻率fi通過(guò)下式計(jì)算：

其中，Ni為第i個(gè)區(qū)域在T時(shí)間內(nèi)通過(guò)研究區(qū)域的氣泡數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 豎直條件下矩形通道內(nèi)泡狀流局部參數(shù)特性

圖5 豎直條件下的局部界面參數(shù)Fig.5 Local interfacial parameters under vertical condition

圖5為豎直條件下矩形通道內(nèi)局部參數(shù)（包括空泡份額、界面面積濃度、Sauter平均直徑和氣泡頻率）的計(jì)算結(jié)果。兩種典型的局部參數(shù)分布形狀，即“核峰”和“壁峰”分布在實(shí)驗(yàn)中都有所體現(xiàn)?！氨诜濉狈植夹螤钍怯脕?lái)描述局部參數(shù)在管道中央?yún)^(qū)域的值較小且變化不大，而在近壁面處有較大的峰值出現(xiàn)?！昂朔濉狈植夹螤钍侵阜逯党霈F(xiàn)在中心區(qū)域附近，近壁面處并無(wú)峰值出現(xiàn)。在大部分的氣液工況中，局部空泡份額、界面面積濃度和氣泡頻率都呈現(xiàn)“壁峰”分布，在液相折算速度較小和氣相折算速度較大的工況，這3種參數(shù)呈現(xiàn)“核峰”分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，局部空泡份額與界面面積濃度在矩形通道中有相同的分布形式。

對(duì)于空泡份額和界面面積濃度，不同的局部參數(shù)分布是由氣泡在沿寬邊上的運(yùn)動(dòng)方向決定的，這種運(yùn)動(dòng)一般由氣泡的直徑?jīng)Q定。根據(jù)“壁峰”與“核峰”的轉(zhuǎn)換點(diǎn)分析，本實(shí)驗(yàn)中用來(lái)判別氣泡運(yùn)動(dòng)方向的直徑為5mm。

氣泡頻率的分布形式與空泡份額和界面面積濃度的類似，因此在本實(shí)驗(yàn)中，局部空泡份額和局部界面面積濃度的分布形式主要受氣泡頻率的影響，而不是氣泡大小的變化。

3.2 傾斜條件下矩形通道內(nèi)泡狀流局部參數(shù)特性

圖6示出傾斜（5°、10°和15°）條件下矩形通道內(nèi)局部空泡份額、界面面積濃度、Sauter平均直徑和氣泡頻率的結(jié)果及與豎直條件的比較。

對(duì)于相同的傾斜工況，局部的空泡份額、界面面積濃度和氣泡頻率的分布形狀是相同的，這與豎直條件下得到的結(jié)論一致。不同的傾斜狀態(tài)下，氣泡的Sauter平均直徑沿寬邊方向仍變化不大，即使在氣泡大部分堆積的通道上方，這意味著氣泡在通道上方聚集但未合并。在通道的上方，“壁峰”以及“核峰”分布形式的峰值隨傾斜程度的增加而變大，對(duì)應(yīng)地，通道下方的峰值隨傾斜程度的增大而減弱，直至消失。

傾斜狀態(tài)下，氣泡主要受浮力作用向通道上方移動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)中，氣泡受浮力作用在通道上方聚集，但由于Sauter直徑仍變化不大。因此可判定，氣泡空泡份額和界面面積濃度在傾斜狀態(tài)下的分布仍以氣泡的頻率體現(xiàn)，而不是氣泡大小的變化。

圖6 傾斜條件下的局部界面參數(shù)Fg.6 Local interfacial parameters under inclined condition

3.3 搖擺條件下矩形通道內(nèi)泡狀流局部參數(shù)分布特性

圖7為傾斜工況、不同的搖擺工況（15°／8s和10°／8s）順時(shí)針和逆時(shí)針經(jīng)過(guò)5°時(shí)，矩形通道內(nèi)泡狀流的局部空泡份額與界面面積濃度的分布。由圖7可看出，當(dāng)搖擺角度與傾斜角度相同且逐漸增加時(shí)（角度右下角為＋），對(duì)于局部參數(shù)的分布主要體現(xiàn)在通道上方峰值的增加，但不改變出現(xiàn)峰值的位置，相應(yīng)地，通道下方的峰值略有減少。對(duì)于不同的搖擺工況，搖擺振幅越大，搖擺運(yùn)動(dòng)的程度越劇烈，其對(duì)相同傾斜角度的峰值的影響也越大。

圖7 傾斜與搖擺條件下相同角度的局部參數(shù)對(duì)比Fig.7 Local interfacial parameters in same angle under inclined and rolling conditions

4 結(jié)論

1）在豎直條件下，兩種典型的局部參數(shù)分布形狀，即“核峰”和“壁峰”分布在實(shí)驗(yàn)中都有出現(xiàn)。在大部分的氣液工況中，局部空泡份額、界面面積濃度和氣泡頻率都呈現(xiàn)“壁峰”分布，在液相折算速度較小和氣相折算速度較大的工況，這3種參數(shù)呈現(xiàn)“核峰”分布。

2）傾斜條件下，在通道的上方，“壁峰”及“核峰”分布形式的峰值隨傾斜程度的增加而變大，相應(yīng)地，通道下方的峰值隨傾斜程度的增大而減弱，直至消失。

3）搖擺條件下，當(dāng)搖擺角度與傾斜角度相同且逐漸增加時(shí)，對(duì)于局部參數(shù)的分布主要體現(xiàn)在通道上方峰值的增加，但不改變出現(xiàn)峰值的位置，相應(yīng)地，通道下方的峰值略有減少。對(duì)于不同的搖擺工況，搖擺振幅越大，搖擺運(yùn)動(dòng)的程度越劇烈，其對(duì)相同傾斜角度的峰值的影響也越大。

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Characteristic of Local Parameter of Bubbly Flow in Rectangular Channel under Inclined and Rolling Conditions

YAN Chang－qi，JIN Guang－yuan，SUN Li-cheng，WANG Yang
（Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

Characteristics of local parameters of bubbly flow were investigated in rectangular channel（40mm×3mm）under inclined and rolling conditions.Under vertical condition，the distribution type‘wall peak’and‘core peak’are observed，and‘core peak’exists when the liquid superficial velocity is low and the gas superficial velocity is high.Under inclined condition，the peaks of two distribution types get strengthened at the top of the channel，and weakened at the bottom.Under rolling condition，the peaks of two distribution types get strengthened compared with the same angle under inclined condition when the angle is getting larger.The influence from rolling motion gets stronger on the peak of two distribution types when the rolling movement is more violent.

rolling condition；inclined condition；rectangular channel；void fraction；interfacial area concentration

TL334

：A

：1000-6931（2015）05-0813-06

10.7538／yzk.2015.49.05.0813

2014-01-20；

2014-07-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11175050，51376052）

閻昌琪（1955—），男，黑龍江哈爾濱人，教授，碩士，從事核動(dòng)力裝置性能、反應(yīng)堆熱工水力及氣液兩相流研究