管内向下气液两相流动界面参数分布特性

刘国强，孙立成,2，阎昌琪，田道贵

(1.哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001;2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)

管内向下两相流动现象在核电、化工生产、新型换热设备的设计及石油开采等工业领域都会遇到[1-3]。例如：在新一代轻水反应堆核电站的非能动余热排出系统中，常用的一种设计是利用自然循环将堆芯或蒸汽发生器产生的蒸汽引入到竖直布置于高位水箱中的冷凝换热器内，蒸汽在竖直布置的冷凝管内不断冷凝，从而将堆芯热量导出，此时冷凝管内为向下两相流；在石油开采中，为了保持油藏的压力，使油井能靠自身的压力产油，通常向油藏中注入气水混合物，这是提高石油采收率的一个重要手段；另外，在一些类型的锅炉中，也会出现向下气液两相流动。

两相流动中界面结构对相间的界面输运过程至关重要，而截面含气率和界面面积浓度是表征界面特征最重要的两个参数，在两相流热工水力特性分析中至关重要。因此，获得空泡份额、界面面积浓度及气泡频率等局部参数的分布特性，是进一步研究向下两相流动中界面输运过程的必要条件。

目前，国内外学者对竖直向上两相流动的研究已开展多年，取得了很多研究成果[4-6]，但对于向下两相流动的研究还不多，特别是对界面输运过程的研究还很不充分。本文借助自研的双探头光纤探针及光学测量系统，对管内向下流动泡状流界面参数分布特性进行研究，旨为向下两相流动的界面输运过程研究奠定基础。

1 实验装置

1.1 实验回路

实验回路主要由水回路和气回路组成，如图1所示。实验段选用内径为50 mm的透明有机玻璃圆管，水通过离心泵的驱动进入混合腔，而空气通过空压机加压贮存于高压气罐内，并由高压储气罐供给。两者相继进入混合腔，水和空气在混合腔内进行充分混合，然后进入竖直的可视实验段。通过实验段后，空气、水经回水管路汇入水箱，水在水箱内循环使用，而空气则经自然分离释放到大气中。通过在回水管路设置调节阀使实验段内压力为正压，并借助排水阀排除由混合腔进入气回路内的液体。

1.2 气液混合腔

实验采用文丘里管结构的气液混合腔，气液混合腔由套管及文丘里管组成(图2)。借助文丘里管突缩突扩的独特结构，使液相流经混合腔时在喉管内形成负压，从而将空气通过文丘里管与套管之间的小孔吸入喉管，并在渐扩区域被强烈的紊流作用打碎成细小气泡，形成均匀的两相流动。

图1 实验回路简图

图2 混合腔剖面图

水流量和气流量全部由质量流量计测量，测量精度分别为0.2级和1级。在实验段L/D(L为实验段长度，D为圆管内径)为24及34处安装有精度为0.1级的压力传感器。探针距实验段入口1.2 m，沿半径方向从中心线向壁面设置11个测点，与通道中心的相对距离ri/R(i=0，…，11；R为通道半径)分别为0、0.16、0.32、0.44、0.56、0.68、0.76、0.84、0.88、0.92和0.96。液相表观速度范围为0.43～0.71 m/s，气相表观速度范围为0.004～0.077 m/s。

实验中，利用探针获取的光信号，经放大转化系统处理后，变成电压数字信号，再由NI数据采集系统进行采集，并存于计算机中。采集时间和采集频率分别为120 s和10 kHz，以保证得到足够的数据量，确保数据统计结果的准确。

2 实验数据处理

实验采用自研双探头光纤探针对界面面积浓度、空泡份额、气泡频率等局部界面参数进行测量。文献[7]详细介绍了双探头光纤探针的结构及其对气液两相局部界面参数的测量原理。文献[8]分别采用高速摄影仪和光纤探针两种方法获得空泡份额，并对两种方法进行了比较，两者的相对偏差在10%以内，这进一步说明应用光纤探针对空泡份额进行测量是可行的。本实验采用的光纤探针及数据处理方法与文献[8]相同。

局部界面面积浓度是指单位体积内两相界面的面积大小，采用Kataoka等提出的模型进行计算：

tan 0.5α0ln(sin 0.5α0))

(1)

(2)

对于标准偏差σz，首先通过多普勒技术得到viz(界面速度在z轴方向上的分量)的光谱，再由σz与viz的关系进行求解，由下式计算：

(3)

局部气泡频率指单位时间内通过局部测点的气泡数目，可通过统计单位时间内前端探头信号出现高电势的次数得到。

3 实验结果分析

3.1 局部界面参数径向分布

竖直向下两相流动中空泡份额、界面面积浓度、气泡频率3个局部界面参数的径向分布如图3所示。可发现，各局部界面参数径向分布特点相似。根据目前国内外的研究结果，向上两相流动中局部界面参数径向分布主要呈“壁峰”或“核峰”两种类型分布，而向下流动局部界面参数径向分布呈“喇叭”型、“偏离核峰”或“核峰”型分布[9-13]。本实验条件下，由于液相速度较低，各局部界面参数出现“壁峰”及“宽峰”型分布。“宽峰”型分布与前文提到的“喇叭”型、“偏离核峰”型类似。由图3可看出：液相表观速度jf=0.43 m/s且气流量较高时，局部界面参数在圆管中心区域较均匀，在近壁区呈现峰值，即呈“壁峰”型分布；气流量较低且00.8时，局部界面参数逐渐减小到一定值并出现一拐点，拐点后呈平滑分布，即为“宽峰”型分布。当0.57 m/s≤jf≤0.71 m/s，气流量较低时，局部界面参数径向分布均呈“宽峰”型分布；气流量较高时，随着水流量的增加，局部界面参数逐渐由“壁峰”转变为“宽峰”型分布；而随着水流量的不断加大，空泡份额、界面面积浓度不断减少，同时沿径向分布变得更为均匀，这是由于湍流扩张力随着水流速度的增加而增大，使气泡的径向分布更加均匀。随着水流量的不断增加，气泡频率逐渐增大，这主要是气泡尺寸随着液流量的增加而变小所引起的。

图3 局部界面参数径向分布

3.2 竖直向上、向下两相流动局部参数对比

液相表观速度为0.57 m/s时，竖直向上、向下两种条件下局部界面面积浓度和空泡份额沿径向分布特性示于图4。可发现，竖直向上流动时，两者呈现“壁峰”型分布，而竖直向下流动时则呈“宽峰”型分布，且在主流区域参数值均比向上流动时的大，仅在壁面附近参数值比向上时的小；向下流动时空泡份额截面平均值比向上流动时大119.6%～145.0%，而界面面积浓度截面平均值比向上流动时大18.8%～82.5%。这主要是由于在气液两相向下流动中，浮力与气泡运动方向相反，降低了气泡的运动速度，导致通道内气泡数量增加，从而使界面面积浓度和空泡份额均随之增加。

3.3 局部界面参数径向分布形成原因

通过以上分析可发现：本实验条件下，在竖直向下两相流动中，局部界面参数径向分布主要呈“宽峰”型或“壁峰”型分布。根据国内外对局部界面参数径向分布的研究结果得知，气泡径向受力是决定局部界面参数径向分布的主要原因。其中，Tomiyama提出的横向升力模型[14]为：

图4 局部界面参数径向分布

(4)

式中：CT、ρL、db、VG、VL分别为升力系数、液体密度、气泡直径、气相轴向绝对速度及液相轴向绝对速度；rotVL为液相速度旋度。

根据式(4)可知 ，升力方向与升力系数、相对速度有关，而升力系数主要与气泡尺寸有关。当两者均为正值时，升力方向指向管道壁面，从而驱使气泡向壁面运动；当两参数为一正一负时，升力方向指向圆管中心，驱使气泡向管道中心区域运动。本实验条件下，气泡尺寸均小于5 mm，故升力系数为正值。气相速度由于受到浮力的抑制作用使其在圆管中心区域明显低于对应的液相速度；在壁面附近，不同于向上两相流动中液相速度径向分布在近壁区逐渐降低，向下流动液相速度在壁面附近速度较高[9]，而相应位置的气相速度则较低，故向下流动中气液相对速度沿直径方向均为负值。结合以上分析可发现，由于相对速度项为负值，使得升力为负值，从而驱使气泡向圆管中心区域运动，而又由于湍流扩散力具有使管内气泡均匀分布的作用，故两力的共同作用致使局部界面参数径向呈“宽峰”型分布。而根据Rouhani[15]的研究结果可知，由于管道内湍流的作用产生离心力，驱使气泡向壁面运动，而由于壁面力抑制气泡向壁面运动从而使局部参数呈“壁峰”分布。

4 结论

通过自研的双探头光纤探针，获得了竖直向下气液两相流的局部空泡份额、气泡频率及界面面积浓度实验数据及分布规律，主要研究结论如下：

1) 空泡份额、气泡频率及界面面积浓度径向分布相类似，不同工况下均呈“宽峰”或“壁峰”型分布。

2) 气泡频率随液相表观速度的增加逐渐增大，而空泡份额、界面面积浓度则逐渐减小。

3) 向下气液两相流动中空泡份额、界面面积浓度截面平均值较向上两相流动中的高。在液相表观速度为0.57 m/s时，向下流动时空泡份额截面平均值均比向上流动时大119.6%～145.0%，界面面积浓度截面平均值比向上流动时大18.8%～82.5%。

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