气液两相流气泡测量技术研究

张建国,谢贵久，董文平，王跃社

(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南长沙410111；2.中国航天员科研训练中心,北京100094；3.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049)

气液两相流气泡测量技术研究

张建国1,谢贵久1，董文平2，王跃社3

(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南长沙410111；2.中国航天员科研训练中心,北京100094；3.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049)

气液两相流监测是载人航天发展需解决的关键技术之一。液相中气泡大小及累计体积是气液两相流测量领域的主要计量参数。基于光学检测技术实现对气液两相流水中气泡大小及体积的测量，通过与高速摄像机与快关阀法测量对比，实验结果表明，光学检测技术能够实现气液两相流在微重力环境下常见流型（泡状流、弹状流）的气泡大小及体积测量，满足工程应用需要。

气液两相流；气泡；光学检测；泡状流；弹状流

近年来，随着我国“神舟”及“嫦娥”探月工程的成功开展和飞速发展，长期载人空间站的研制已列入国家计划。越来越多的空间技术设施（如航天器主动热控系统、动力与能源供应系统、流体管理系统及航天员生命保障系统等）中存在气液两相流现象[1]。

电解制氧系统是环控生保系统的重要组成部分，在该系统中，作为反应物的水经过净化，在电解槽、换热器、水箱之间循环。由于电解质膜承受缺水的能力较差，同时由于传递热量的需要，投入循环的水远多于反应当量，在这一过程中必须有水气分离装置将反应产生的水/气混和物进行分离，通过这个装置，一方面分离出反应物中的气体，提供成员呼吸和其它需要；另一方面，分离出的水将重新投入循环。在此过程中，电解产生的氧气如果带有液滴排入舱内，会给航天员生命及设备带来安全隐患，分离的水如果气泡含量过高，影响电解制氧装置的正常工作。国际空间站上，多次出现电解制氧装置由于气泡堵塞造成安全隐患，因此，对气液两相流气泡大小及体积的检测及监测对于电解制氧装置的安全运行十分重要[2]。

气液两相流具有不同的流动速度，且两相间的界面效应，导致产生泡状流、弹状流、环状流等不同流型[3]。如何实现不同流型条件下的气液两相流气泡大小及流量测量是目前国内外研究的难点及热点。目前，研究较多的测量方法多为涉及新技术[4][5]：如快关阀法、射线法、电学法、高速摄像法、层析成像法等，这些检测技术和方法大都处于实验室研究阶段，工程应用型的仪表还比较少。

针对微重力环境下气液两相流气泡大小及体积检测的需要，本系统采用光学检测技术，通过对采集数据处理分析，识别不同流型条件下的气泡大小及体积测量，试验结果表明该测量方法有效，测量精度能够满足应用需要。

1 光学检测工作原理

光学检测的理论基础为比尔-朗伯（Beer-Lambert）定律，利用水对特定红外光具有强的吸收这一性质为依据。即红外辐射通过测试管路后的光强 I与入射光强I0之比与吸收物质（H2O）的浓度C、厚度d及消光系数K之间有如下关系：

由式(1)可知，透射光强随着待测物质浓度C的增大而减少，以此来检测待测物质的浓度分布。散射、折射、反射等因素带来的测量误差可在消光系数K中进行修正。图1为红外检测原理图。

图1 红外光检测原理图

2 测试装置系统

气液两相流测试装置采用对射式光路，实现不同直径大小的气泡对红外光衰减量的检测，测量管道的内径为4 mm。红外波段选用波长1 400 nm的红外发射接收装置。测试系统的信号输出为0.5～4.5 V。电压0.5 V为测量管路全水状态，4.5 V为测量管路全气状态。装置与测量管路采用卡套式连接。

3 试验测试过程

气液两相流信号源发生装置系统如图2所示，主要由水箱、过滤器、水泵、高压氮气瓶、气体质量流量控制器、液体质量流量计、混相器、管段、阀门、压力传感器和温度传感器等组成。

气泡直径计量方法采用高速摄像机能准确捕捉气泡的轮廓，通过分析软件计算出气泡直径。高速摄像机选用奥林巴斯的i-SPEED TR。气泡体积计量采用快关阀法，通过对标定段两端的两个阀门同时进行关断，经过气液分离后便可求出两阀 门间的平均体积含气率。

图2 气液两相流信号源发生装置示意图

4 试验结果分析

4.1 泡状流

气液两相流体中气体流量较小时，气泡以细小颗粒分散在液体中，容易产生泡状流。试验通过调节气体、液体流量大小及气液混合器直径大小，产生了直径为0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm、4 mm的单个气泡，实验测量不同直径的气泡置于测量通道中信号变化量，测量结果见表1。表1中不同气泡直径对应的信号输出为采集信号的峰值平均值。

从表1中可知，随着气泡直径的增大，忽略壁厚等因素影响，红外光对水的吸收减少，对应输出信号变大。图3为气泡直径为1.0 mm对应的采集信号输出结果。每一个脉冲信号对应一个气泡。脉冲信号的峰值与气泡直径存在对应关系。

表1 不同气泡直径测试结果

图4为连续状态下，泡状流气泡的信号采集结果。

4.2 弹状流

图3 单个1.0 mm气泡视频图及对应信号输出图

图4 泡状流视频图及对应信号输出图

采用如图2所示装置，气体流量固定为100 mL/min，调节液体流量，当液体流量变化范围在5～30 mL/min，产生如图5(a)所示的弹状流。

图5 弹状流及采集信号输出示意图

图5（b）为弹状流的数据采集输出信号，高电平4.5 V对应全部气泡时系统输出，低电平0.5 V对应全部液态水时系统输出。高电平采样点数量多少代表气柱的长度。

4.3 气泡体积计算

气液两相流测量过程中，除了需要测量气泡直径大小，还需要对一段时间的累计气泡体积计量。考虑微重力环境下，气液两相流在流动过程中常见的二种流型（泡状流、弹状流）的气泡体积计算模型。

泡状流气泡计算根据前面的信号分析结果：一个脉冲信号对应一个气泡，气泡直径大小D与脉冲信号峰值X存在以下关系式：通过峰值判别，累计分析周期内气泡个数，并近似气泡为球形，根据式(2)计算每个气泡的体积大小。

弹状流气泡直径近似为测量管道内径大小，为4 mm。并根据采集信号点数量计算气泡长度。气泡体积可根据气泡截面积与长度的关系求得。表2为经上述步骤计算得到的气泡体积模型测量与快关阀法得到的气泡体积误差结果对比。

表2 快关阀法与模型测量结果对比表

从表2中可以看出，快关阀法与本模型测量误差范围控制在20%以内，满足工程应用需求。

5 结 论

项目将光学检测技术应用于气液两相流的气泡直径及体积测量并进行相关试验研究，得出以下结论：

（1）光学检测对于气液两相流泡状流、弹状流具有较好的流型识别度，通过对采集数据分析，识别不同的流型。定性分析了不同流型下的信号输出差异及对应机理原因。

（2）根据不同流型的采集信号输出特定，建立不同流型条件下的气泡体积计算模型，测量结果与快关阀法相比，测量误差小于等于20%，基本达到国外先进水平。

目前检测系统只针对微重力环境下常见的泡状流、弹状流两种工况进行了分析测量，由于没有成熟的理论支撑，气液两相流相间界面效应及相对速度研究比较复杂，各流型的动态信息更为丰富，检测系统对气液两相流其他流型的气泡测量精度有待进一步试验及测试。

[1] 周文兴，邓一兵，周抗寒，等.气液两相流空隙率测量方法微重力环境应用研究[J].传感器与微系统，2009，10(28)：16-19.

[2] Dale Cloud，Matthew Zarzycki.Development Status of the ISS Oxygen Generation Assembly and Key Components[C].Proceedings of the 32nd International Conference on Environmental Systems CD-ROM.2002，01-2269.

[3] 赵建福，解京昌，林海等.常重力和低重力条件下气液两相流实验研究[J].中国科学(E辑)，2002，32(4)：491-495.

[4] Kawahara，Sadatomi，Nei.Experimental study on bubble velocity，void fraction and pressure drop for gas-liquid two-phase flow in a circular microchannel[J].Int.J.Heat Fluid Flow，2009，30(5)：831-841.

[5] Kariyasaki，Fukano.Fundamental data on the gas-liquid two-phase flow in minichannels[J].Int.J.Therm.Sci.，2007，46(6)：519-530.

The Research on Measuring Bubble of Gas-liquid Two Phase Flow

ZHANG Jianguo1,XIE Guijiu1,DONG Wenping2,WANG Yueshe3

(1.The 48th Research Institute of CETC,Changsha 410111,China；2.Institute of Space Medico-engineering,Beijing 100094,China；3.Xi'an jiaotong University State key laboratory of multiphase flow in power engineering,Xi'an 710049,China)

Gas-liquid two-phase flow monitoring is a key application for manned spaceflight development.Size and cumulative volume of the bubbles in the liquid phase is the primary measurement parameters.Based on optical detection techniques bubble size and volume measurements is achieved,contrast with high-speed cameras and quick closing valve measurement,the experimental results show that the optical detection technology enables two-phase flow in micro-gravity environment common flow patterns(bubble flow,slug flow)of the bubble size and volume measurements,meet the engineering application needs.

Gas-Liquid two phase-flow;Bubble;Optical detector;Bubble flow;Slug flow

TN606

：A

：1004-4507(2015)08-0037-05

2015-05-25