基于高速图像采集的管束间气液两相绕流旋涡特性研究

洪文鹏, 刘 燕, 周云龙

(东北电力大学 能源与动力工程学院,吉林132012)

在动力工程、石油化工和核能利用等领域广泛存在着气液两相流体绕流管束的现象,如凝汽器、加热器及核反应堆蒸汽发生器等管壳式换热设备[1-2].在一定条件下,气液两相流在柱体后部形成交替脱落的旋涡,并诱发柱体受到交变力的作用,由此产生的损伤不仅威胁设备的安全运行,而且会大大缩短工业设备的使用寿命[3-5].随着动力、原子能工业的飞速发展,大容量高参数设备的引入,促使设备的结构设计更加紧凑,因此对换热器的综合性能提出了更高的要求.此类问题已经成为多相流体动力学基础研究和工程应用领域的重要研究课题.

目前,国内外有关科研人员对气液两相流体横向绕流平行三角形、旋转正方形及正三角形等错列布置型式管束的旋涡脱落特性进行了试验研究[6-8].然而,由于测试技术的局限,其中大部分的试验研究主要集中在对升力系数和阻力系数等的测量,而对气液两相流体冲刷管束旋涡脱落演化特性的研究相对较少,并且一些对瞬态流场显示的新技术在气液两相流的应用上还不太成熟,其旋涡特征的表现大多还依赖于数值模拟的结果.笔者采用高速数字图像采集方法拍摄了流型为细泡状流的气、液两相流体垂直向上冲刷3节距比(S/d=1.0、1.5和2.0)错列管束的旋涡脱落流场的动态图像,重建了旋涡形成和演化的过程,并运用时间序列图像相关性对比分析了旋涡脱落的周期特征.

1 试验装置

图1为气液两相流系统与高速图像采集装置示意图.图像采集系统由高速动态分析仪、光源和计算机组成.高速动态分析仪采用瑞士Weinberger公司的Speed cam visario高速摄影系统,其间歇式电子快门速度可达15μs,最大分辨率为1 536×1 024像素,对应的拍摄速度为1 000 fps,最高拍摄速度可达到10 000 fps.通过高速动态分析仪可以捕捉到尾流中清晰的瞬态流动状况.光源采用6 400 K色温的三基色光管,用于提供拍摄时所需要的光照亮度,计算机用于储存拍摄下来的图像资料.

图1 气液两相流系统与高速图像采集装置示意图Fig.1 Schematic of gas-liquid two-phase flow system and high-speed imaging installation

图2为试验段管束布置图.试验段由10 mm厚的有机玻璃制成,截面为180 mm×65 mm的矩形通道,圆柱直径为20 mm,采用旋转正方形布置.

在图像采集过程中,由于液体和气体均是透明的,因此采用逆光照明拍摄气泡的阴影.为了使光线分布均匀,在试验段的后侧蒙上两层绘图用的硫酸纸可获得满意的拍摄图像.由于试验管段内的流动不稳定,因此需要较高的拍摄速度,本文中所采用的拍摄速度为1 000 fps.为了在获得图像处理所需要的高质量图片的同时又能考虑到高速动态分析仪的实际存储空间,采用的分辨率为768×512像素.

图2 试验段管束布置图Fig.2 Lay out of tube bundles in test section

试验条件:液相折算速度J L为0.19 m/s和0.27 m/s,含气率α的范围为0.01～0.15.

2 结果与分析

2.1 旋涡形成和演化过程分析

根据对单相流体的研究,当流体绕流过非线性物体时会在物体的后面形成旋涡,其主要的能量损失是由旋涡引起的,在靠近旋涡的地方贮存着许多能量,旋涡的中心是一个低压区,旋涡的内外形成较大的压力梯度[9].在两相流中,由于加入了气泡,质量较轻的气泡在旋涡的形成与运动过程中就会不断地被吸入到旋涡的中心,并在旋涡的中心进行聚集和融合,所以旋涡中心的含气量比旋涡外大得多.

采用高速数字图像采集装置可清晰地记录各个试验工况下的旋涡形成和演化的动态过程.图3为旋涡形成和气泡卷吸的演变过程.在图3中,节距比S/d=1.0,雷诺数为2.82×104,含气率为0.074,图中的阴影部分为气泡.

图3(a)反映的是在前一个旋涡卷吸气泡完毕并开始向后运动,下一个旋涡刚刚开始时的状况.此时,旋涡中心是一个低压区,两相流中较小的气泡被吸入,在管束后排圆柱的后面形成了小的气核.图3(b)显示:后排圆柱后面的气核在逐渐增大,被吸入的气泡增多,导致旋涡的能量降低,旋涡的稳定性减弱,此时的旋涡还在生长过程中,由视频画面显示的旋转特性还不明显.图3(c)和图3(d)显示了在旋涡不断生长过程中,旋涡周围的气泡呈“辐条状”被卷吸入旋涡中心并在中心不断地聚合,使得中心含气率增大,主流紊流强度增加,导致能量低、不稳定的旋涡加速了对气泡的卷吸,这使旋涡中心的气核也不断变大.图3(e)反映了随着卷吸气泡的增多,过多的气泡卷入形成气袋,导致旋涡内、外压力梯度变小,加速了旋涡的脱落,此时的不稳定旋涡使气袋分裂,卷吸能力减弱,并发现“辐条状”卷吸现象逐渐不明显.从图3(f)可以看到气核周围的“辐条状”卷吸现象已经完全消失,气核开始向后运动,说明一个旋涡的生长、发展与脱落过程已经完成.整个旋涡的过程经历了234帧图像,用时为0.234 s.

图3 旋涡形成和气泡卷吸的演化过程Fig.3 The evolution process of vortex generation and bubble entrainment

由拍摄的视频发现:在上述旋涡形成和脱落过程中,主要是圆柱右侧的气泡被吸入旋涡中心形成气核,左侧的气泡相对较少.对于旋涡脱落一个周期来说,应该是左、右各脱落一个旋涡又重新回复到图3(a)所示的状态,所以旋涡脱落的周期为0.468 s.笔者对每个工况下的旋涡脱落周期均统计了5次,相对误差不超过2%.

2.2 旋涡脱落的频率分析

通过对拍摄的视频中旋涡脱落一个周期所经过的图片的幅数和两幅图像间的时间间隔的统计,可以得到旋涡脱落一个周期所用的时间.对每个旋涡周期进行5次统计,并采用取均值的方式最终确定旋涡脱落的周期,进而得出旋涡脱落的频率.图4为3种不同节距比时的旋涡频率随含气率的变化.从图4可知:在JL=0.27 m/s和JL=0.19 m/s 2种折算液速时,旋涡脱落频率均随截面含气率的增加而增大,这主要是由于气泡的引入对圆柱表面的边界层产生干扰,使边界层变得不稳定,从而导致边界层更易于分离,旋涡易于脱落,加快了旋涡脱落的速度.随着含气率的增加,气泡对边界层的干扰程度增大,并且随着来流含气率的增加,流场的湍流强度增大,旋涡更容易从柱体上脱落.

图4 3种不同节距比时旋涡频率随含气率的变化Fig.4 Vortex frequency vs.void fraction at three different ratios of pitch to diameter

图5 为在折射液速JL=0.27 m/s的工况下,不同节距比时旋涡脱落频率的比较.从图5可知:在一定的折算液速时,节距比对旋涡脱落频率有较大影响.随着节距比的增大,旋涡脱落频率不断增大.在同一节距比时,旋涡脱落频率随着截面含气率的增加而增大,其主要原因是:在小节距比时,管束间的干扰作用增强,上游圆柱的自由剪切层延伸到了下游圆柱,并对下游圆柱形成包裹,抑制了下游圆柱旋涡的形成和脱落;相反,当节距比增大时,上游圆柱的自由剪切层对下游圆柱的影响作用减弱,旋涡能正常地生成和脱落.本文试验的节距比较小,因此在此范围内对旋涡脱落频率的影响较大.

对于节距比较大(S/d=2.0)的管束,旋涡频率随含气率增加变化幅度较大,当节距比较小(S/d=1.0)时,旋涡频率增加的幅度小,其主要原因是:当节距比小时,管束间流动处于缝隙流动状态,由于绕流产生的较大的压力梯度使大量密度小的气泡被卷入缝隙中,在一定条件下会出现“气囊”现象(在试验中也观察到了这种现象),这种现象的存在对管束的流动和传热特性产生不利影响,是工程设计中不能忽略的问题.

图5 不同节距比时旋涡脱落频率的比较Fig.5 Comparison of vortex shedding frequency at different ratios of pitch to diameter

图6 为不同节距比时旋涡脱落频率随Re的变化.从图6可看出:在本文试验范围内,在不同节距比的错列管束中,Re对旋涡脱落频率均有较大影响,随着Re的增加,旋涡脱落频率逐渐增大.

图6 不同节距比时旋涡脱落频率随Re的变化Fig.6 Vortex shedding frequency vs.Reynolds number at different ratiosof pitch to diameter

通过比较图6中的曲线可以看出:在低Re区域(Re＜1.5×104)、小节距比(S/d=1.0)时,旋涡脱落的频率远远低于大节距比(S/d=1.5和2.0)的频率,相差近50%;而在S/d=1.5和S/d=2.0两种节距比时,旋涡脱落频率值接近.在1.5×104＜Re＜2.9×104内,随着Re的增加,小节距比(S/d=1.0)管束的旋涡脱落频率比大节距比(S/d=1.5和2.0)时增加的幅度小;而在S/d=1.5和S/d=2.0两种节距比下的旋涡脱落频率随Re增加的幅度趋于一致.其主要原因是:①在小节距比(S/d=1.0)时,各相邻圆柱旋涡的形成和脱落相互影响,并伴随有气泡在管束缝隙间的积聚,充分抑制了旋涡的脱落,导致旋涡脱落频率显著降低,这种现象在低Re时更为突出;②在大节距比(S/d=1.5、2.0)时,相邻圆柱旋涡相互影响减弱,管束缝隙间不会出现气泡积聚现象,而是以小气泡形式分布于管束中.在低Re时,旋涡脱离的能量不仅来自于流体自身,气泡的扰动也促进了旋涡分离,此时脱落频率与来流的截面含气率有密切关系.③在1.5×104＜Re＜2.9×104内,由于小节距比管束间积聚气泡的影响,其旋涡脱落频率比大节距比时增加的幅度小.

2.3 两相斯特罗哈数的分析

斯特罗哈数(StTP)是研究流体绕流的一个重要特征参数,它是反映旋涡脱落特性的相似准则数.图7为3种不同节距比时StTP随截面含气率的变化.从图7可看到:在本文的试验条件下,错列管束的St TP随着含气率α的增加呈逐渐下降的趋势,与旋涡脱落频率的变化趋势相反.

图7 3种不同节距比时St TP随截面含气率的变化Fig.7 Strouhal number vs.void fraction at three different ratios of pitch to diameter

图8 为3种不同节距比时StTP的比较.从图8可知:在折算液速一定、节距比不同时,StTP有较大差别.随着节距比的增加,StTP也是增加的;而在同一节距比时,StTP随着截面含气率α的增加而减小.

图8 3种不同节距比时St TP的比较Fig.8 Comparison of Strouhal number at three different ratios of pitch to diameter

图9 为不同节距比时StTP随Re变化的曲线.通过对比图9中节距比S/d=1.0、S/d=1.5和S/d=2.0时StTP随Re变化的关系曲线可以看出:在大节距比(S/d=1.5、2.0)时,StTP趋于稳定值;而在小节距比(S/d=1.0)时,StTP随着Re的增加出现波动.产生这种现象的原因是:在小节距比时,在本文试验的截面含气率条件下,由于缝隙间各圆柱形成的旋涡相互影响,出现气泡“聚合”现象,使两相绕流管束的流型发生了变化,引起StTP出现波动.

图9 不同节距比时St TP随Re的变化Fig.9 Strouhal number vs.Reynolds number at different ratios of pitch to diameter

3 结 论

(1)在本文试验的2种折算液速(JL=0.27 m/s、JL=0.19 m/s)下,旋涡脱落频率随着截面含气率α的增加而增大;在一定的折算液速下,节距比S/d对旋涡脱落频率有较大影响,随着S/d的增大,旋涡脱落频率不断增大.

(2)在不同节距比时,截面含气率α对旋涡脱落频率的影响不同.对于大节距比(S/d=2.0)管束,随着α增加,旋涡脱落频率增加的幅度较大,在小节距比(S/d=1.0)时,旋涡脱落频率增加幅度较小.

(3)在本文试验的Re范围内,在大节距比(S/d=1.5、2.0)时,两相StTP趋于稳定值,而在小节距比(S/d=1.0)时,St TP随Re的增加出现波动.

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