水平管内多孔板后的气液两相流型可视化实验

彭杰伟，马有福,，吴恒亮，吕俊复，刘媛，彭安，焦乾峰



水平管内多孔板后的气液两相流型可视化实验

彭杰伟1，马有福1,3，吴恒亮2，吕俊复3，刘媛2，彭安2，焦乾峰1

(1上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093；2中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200090；3清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)

多孔板后是否形成均匀分散的泡状流流型是影响多孔板废气吸收装置吸收效果的关键因素。以空气和水作为两相介质，对气液两相混合物在水平管内流经多孔板后形成的流型进行实验。通过孔径分别为2、3、4、5 mm的4只多孔板在内径98.5 mm水平有机玻璃管内的可视化流动及高速摄像，研究了孔径大小、气相流量变化及液相流量变化对多孔板后流型的影响规律。实验结果表明：水平管内插入多孔板后，分层/塞状流转变边界向液相流量增大方向推移，塞状/泡状流转变边界向液相流量减小方向推移；随气相流量减小或液相流量增大，多孔板后流型趋于形成泡状流；孔径大小对多孔板后流型具有重要影响，减小孔径使塞状/泡状流转变边界移向更大气相流量和更小液相流量，即形成泡状流的两相流量范围增大；随孔径减小，孔板后流型趋于由分层流直接过渡至泡状流，塞状流趋于消失。为保证多孔板吸收装置的良好流型和吸收效果，建议多孔板孔径不大于3 mm。

气液两相流；气泡；孔板；流动；流型；可视化实验

引 言

对水平管内气液两相流动流型已有较为成熟的认识，如Baker[1]、Mandhane[2]以及Weisman流型图[3]等，已在工程设计中得到广泛应用。流型识别主要是通过可视化观察和图像分析，也有基于压差波动和含气率波动的实验方法[4-5]。影响流型的参数有很多，如气液两相流量、相含率、管径及入口形状等[6]，各因素对流型转变影响复杂，需进行更多深入研究。近期对管内流型的研究主要包括管子横截面尺度大小对管内流型转变边界的影响[7-9]，水平管内油气两相流流型转变机理与预测模型[10-14]，倾斜管、U形弯管和螺旋管内气液两相流流型与转变特性[15-19]以及螺旋管内油气水三相流[20]和油水两相流流型[21]。

近年来，出于强化气体吸收、防止传热恶化等需求，开始关注通过某种措施对管内流型进行改变和控制。王树立等[22]实验研究了水平管内布置旋转叶轮时的气液两相流型，指出随着叶轮角度增大或者叶片面积减小流型转换边界均向气量增大的方向推移。Milan等[23]对垂直管入口分别布置球式混合器和同轴喷嘴的管内气液两相下降流动流型进行了实验研究，Qiao等[24]也比较了3种入口结构对垂直管内下降流动流型的影响，均得出入口结构对管内流型转换具有重要影响的结论。Farhad 等[25]研究了管道旋转对垂直管内下降流型的影响，表明增大管道转速会使塞状流和环状流的转换边界向气相流量减小的方向偏移。Annamalai 等[26]通过电阻层析成像法对水平管内槽式孔板后气液两相流动的均匀性进行了实验，指出在槽式孔板下游1.5～2.5倍管内径处两相流均匀性最佳，建议在此处设置流量测量装置。Li 等[27]和Jiang 等[28]实验研究了压缩式制冷系统中的气泡吸收过程，比较了气相喷嘴孔径对垂直上升管内流型及气泡吸收的影响，指出当喷嘴孔径为2.8 mm时管内可观察到混状流、段塞流和泡状流3种流型，喷嘴孔径减小至2.0 mm时段塞流极少出现，喷嘴孔径减小至1.0 mm时段塞流完全消失即混状流直接过渡至泡状流，气泡在上升管内的吸收效果随喷嘴孔径减小显著提高。

由此可见，管内气液两相流型可通过施加某种外部条件得到改变和控制，这对强化吸收、防止传热恶化及减小管路振动等工程应用具有重要意义。例如在一些特殊的船舶中，动力装置废气的隐蔽排放是关键性技术。这种废气的成分为95%的CO2和5%的O2，利用海水吸收废气从而消除气泡尾流对船舶安全至为关键[29-31]。本工作提出采用多孔板作为吸收器元件，在多孔板后形成均匀分散的泡状流型和较小的气泡，达到强化废气吸收的目的。然而当前对水平管内节流装置后气液两相流型的研究很不充分，使得此类孔板吸收器的设计缺乏依据。为此，本工作对水平管内多孔板后的气液两相流型进行了可视化实验，为多孔板在气液两相流动中的应用提供研究基础。

1 实验系统及多孔板试件

1.1 实验系统与测点布置

实验系统如图1所示。实验中气液两相分别采用空气和水，空气由压气机注入实验管段，水由水箱提供并在实验系统中通过水泵循环使用。水箱在高度方向距离进气管中心1 m处设有溢流口，从而保持稳定的水箱内液位高度。水箱内设有高度为0.8 m的隔板使进水区和出水区分离，从而使进入水箱的气相从水箱顶部逸出而不进入循环水中。空气流量通过设置在进气管路上的调节阀调节，水流量通过控制水泵转速的变频控制柜调节。

为了满足流型观察的可视化要求，在注气管段后布置两段各1 m长的透明无色有机玻璃圆管。玻璃管内径为98.5 mm，壁厚为10 mm。多孔板通过定距拉杆固定在玻璃管段中。在多孔板上游管道内水平注入空气，注气口与多孔板相距250 mm，注气口内径为25 mm。采用NAC GX-8F高速摄像机对孔板前后的两相流动进行摄录和分析。

测点布置如图1所示。压缩空气的流量、压力和温度测点设置在进气管路上。在水循环管路上设置有水流量测点，在玻璃管段前、后的管路上设有压力测点，水温测点设置在水箱底部。各测量仪表的型号及参数见表1（其中空气流量1m3·h-1是由串联在进气管路上的量程0.5～5 m3·h-1浮子流量计LZB-10L测得）。各仪表输出的模拟信号由数据采集模块采集，再由A/D通讯模块输入计算机。

表1 实验用仪表

1.2 多孔板试件

本实验中的多孔板主要区别于其小孔孔径不同，分别为2、3、4、5 mm。多孔板设计以小孔均匀布满整个孔板为原则，因此各个试件的小孔孔数也不同。4个多孔板试件的实物如图2所示，结构参数见表2。

表2 多孔板试件结构参数

1.3 实验工况设计

为了分析气液两相各自流量变化对流型的影响，对空管和每个多孔板试件均设计了8个实验工况，见表3。

表3 两相流实验工况设计

表3中的第1组工况（a）～（e）是在一定水流量45m3·h-1下改变空气流量；第2组工况（f）～（h）及（c）是在一定空气流量5m3·h-1下改变水流量。实验时调节两相流量，使其尽量与该工况设计流量一致。与设计值相比，实验各工况下液相流量和气相流量的偏差分别在±1.0%和±6.0%以内。

2 流型实验结果

本工作对无孔板空管和4个多孔板进行了实验，每个试件均获得了8个工况的流型。

2.1 空管实验结果

图3为空管实验时注气口之后管内气液两相流动的发展过程。由图3可见，由于注气口布置在水管轴心位置，排气进入水流后随水流向前运动，同时也在浮力作用下向管子上部运动，最终集中在管子上部向前运动。排气进入水管后并非周期地形成单个气泡，而是在运动水流的黏性作用下形成一定长度的气柱。这股气柱在注气口后约150 mm处分裂破碎，形成尺寸不一的气泡，气泡受浮力作用富集在管子上部。当液相流量较小时，气液分层界面较为清晰；随液相流量和气相流量增大，气液分层界面趋于剧烈波动和紊乱，分散在管子下部水流中的气泡也趋于增多。

在远离注气口的第2段玻璃管中，气液两相流动在大部分工况下呈塞状流流型，如图4（a）中工况。但在液相流量较小时，呈现出气液分层界面清晰的分层流流型，如图4（b）中工况。这与水平管Weisman流型图的预测结果相符。

2.2 多孔板实验结果

图5～图8分别为1#～4#多孔板的管内流型，每个工况包含孔板前后流型及板后充分发展流型。

3 多孔板实验结果分析

通过对多孔板后流型的观察和分析，在本工作实验的工况范围可将孔板后流型分为分层流、塞状流和泡状流3类。实验结果表明气液两相流量大小以及多孔板孔径大小均对多孔板后流型具有影响。为了直观地示出多孔板后流型与水平管内流型的区别，将多孔板实验结果绘制在Weisman流型图上，如图9所示。

3.1 多孔板孔径对板后流型的影响

由图9可见，多孔板后两相流型的转变边界与水平管明显不同。与水平管相比，多孔板后分层/塞状流转变边界向液相流量增大方向推移，塞状/泡状流转变边界向液相流量减小方向推移，变化幅度非常显著。在a=5 m3·h-1时，分层/塞状流转变的表观液速约由0.45 m·s-1增大至1.2 m·s-1，塞状/泡状流转变的表观液速约由9.0 m·s-1减小至2.0 m·s-1（1#孔板）和1.5 m·s-1（4#孔板）。

孔径对气液两相流过多孔板后的流型具有重要影响。在一定的液相-气相流量下，随着多孔板孔径在2～5 mm范围内逐渐减小，孔板后流型由分层流向泡状流过渡，所以孔径越小越有利于在多孔板后形成泡状流。在流型图上表现为随着孔径减小多孔板后形成泡状流的流型转换边界向液相流量减小的方向推移。也即减小孔径可在更加宽广的两相流量范围内形成泡状流，对形成泡状流的两相流量要求降低。

由图9可知，随着孔径减小，多孔板后的塞状流形成区域越来越小，分层/塞状流转变边界与塞状/泡状流转变边界之间的距离逐渐缩短，即分层流越来越迅速地向泡状流过渡。例如在孔径为2 mm的4#孔板中未观察到塞状流流型，两条流型转变边界几乎重合，即分层流直接过渡为泡状流。

孔板后形成分层流动不利于废气被海水高效快速吸收。为强化海水对废气的吸收效果，希望在孔板后形成均匀分散的泡状流。所以，在采用多孔板作为废气吸收元件时，孔径大小的选择非常重要。通过增多孔数减小孔径从而在多孔板后形成泡状流强化吸收，对于多孔板吸收装置的优化设计具有重要的指导意义。工程应用中应根据发动机排气流量和海水流量的大小及比例选择合适的小孔孔径，避免在孔板后形成不利于废气吸收的分层流动。

3.2 气相流量变化对多孔板后流型的影响

每个试件中气相流量对孔板后流型的影响可由第1组实验工况的流型实验结果比较得出。由图5～图8可见，在相同液相流量45 m3·h-1下，随着气相流量在1～10 m3·h-1范围内增大，1#孔板后流型均为塞状流，4#孔板后流型均为泡状流，而2#和3#孔板后流型由泡状流转变为塞状流。

可见，在一定液相流量下，随着气相流量增大，某一孔径多孔板后的两相流动由泡状流向非泡状流过渡，也即气相流量越小越有利于在多孔板后形成泡状流。因此图9所示塞状/泡状流转变边界线与横坐标并不垂直，与水平管塞状/泡状流转变边界有一定区别。

但同时也可看出，这种流型转换除了与气液两相流量大小相关外，还与多孔板的孔径密切相关。在一定液相流量下，随着孔板孔径减小，形成泡状流所需的气相流量的上限增大，即可以在更大的气相流量下形成泡状流。在w=45 m3·h-1时，随着孔板孔径由5 mm减小至2 mm，塞状/泡状流转变的临界表观气速由约0.02 m·s-1增大至0.5 m·s-1以上。

3.3 液相流量变化对板后流型的影响

液相流量对板后流型的影响可由第2组实验工况的结果比较得出。由图5～图8及图9可见，对于1#、2#及3#孔板，在相同气相流量5 m3·h-1下，随着液相流量在15～55 m3·h-1范围内增大，多孔板后流型先由波动分层流转变为塞状流，再从塞状流转变至泡状流。而4#孔板在实验的液相流量工况中是分层流直接转变为泡状流。

因此，在一定气相流量下，随着液相流量增大，多孔板后两相流动趋于由分层流转变为泡状流，所以液相流量越大越有利于在多孔板后形成泡状流。但这种流型转换除了与气液两相流量大小相关外，也与多孔板的孔径相关。在一定气相流量下，随着孔板孔径减小，形成泡状流所需的液相流量的下限减小，也即可以在更小的液相流量下在板后形成泡状流。在a=5 m3·h-1时，随着孔板孔径由5 mm减小至2 mm，塞状/泡状流转变的临界表观液速由约2.0 m·s-1减小至1.5 m·s-1。

所以，对多孔板废气吸收装置而言，增大海水流量既有利于提供更多海水溶解吸收废气，也有利于在多孔板后形成均匀分散的泡状流流型，从而进一步强化海水吸收废气的效果。

4 结 论

通过可视化气液两相流实验系统对气液两相混合物流经多孔板后形成的流型进行实验，研究了多孔板孔径、气相流量及液相流量变化对多孔板后流型的影响规律，主要结论如下。

（1）与水平管相比，水平管内多孔板后气液两相流型的转变边界发生了明显改变。孔板后分层/塞状流转变边界向液相流量增大方向推移，塞状/泡状流转变边界向液相流量减小方向推移。

（2）随着气相流量减小或液相流量增大，多孔板后流型趋于形成泡状流。实验发现孔径大小对多孔板后流型具有重要影响，在一定的气相及液相流量下，在孔径2～5 mm范围减小孔径使孔板后流型趋于泡状流。

（3）随着孔径减小，孔板后塞状流或分层流向泡状流转变的边界向更大气相流量和更小液相流量方向推移，即形成泡状流的两相流量范围增大。而且，随着孔径减小，孔板后流型逐渐趋于由分层流直接转变至泡状流，塞状流趋于消失。

（4）在多孔板废气吸收装置中，为了在孔板后形成均匀分散的泡状流从而强化海水对废气的吸收效果，宜减小多孔板孔径、增大海水流量。

（5）需注意孔径及气液两相流量对多孔板后泡状流形成的耦合作用机理。为保证吸收装置吸收效果，建议在多孔板设计时孔径不大于3 mm。

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Visualization study on flow pattern of gas-liquid two-phase flowing through multi-orifice plate in horizontal pipe

PENG Jiewei1, MA Youfu1, 3, WU Hengliang2, LÜ Junfu3, LIU Yuan2, PENG An2, JIAO Qianfeng1

(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 200090, China;3Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Producing a bubble flow in multi-orifice plate downstream (MOPD) is a basic condition for the exhaust absorber with multi-orifice plates to achieve a satisfied absorption capacity. In this paper, a visualization experiment on the flow pattern of gas-liquid two-phase flowing through a multi-orifice plate in a horizontal pipe was conducted using the air and water as the gas and liquid phase, respectively. Four multi-orifice plates with the orifice diameter of 2, 3, 4 and 5 mm were tested in a horizontal plexiglass pipe with the inner diameter of 98.5 mm by using a high speed camcorder to record the air-water flow, thus the effects of orifice diameter, air flow rate and water flow rate on the flow pattern in the multi-orifice plate downstream were obtained. The results show that the stratified/plug flow transition in MOPD shift to an increased water flow rate while the plug/bubble flow transition shift to a decreased water flow rate in comparison with the flow pattern transition in horizontal pipes. The flow pattern in MOPD is inclined to a bubble flow with the decrease of air flow rate or the increase of water flow rate. Meanwhile, an important dependence on the orifice diameter is found for the flow pattern in MOPD. With the decrease of orifice diameter, the plug/bubble flow transition shift to an increased air flow rate and a decreased water flow rate, meaning that an increased flow range is obtained to form bubble flow. In addition, as the orifice diameter decreasing, the flow pattern in MOPD is inclined to transfer from wavy stratified flow to bubble flow directly without an occurrence of plug flow. To achieve a satisfied flow pattern and absorption capacity for the exhaust absorber with multi-orifice plates, it is recommended to choose the orifice diameter not larger than 3 mm.

gas-liquid flow; bubble; orifice plate; flow; flow pattern; visualization experiment

10.11949/j.issn.0438-1157.20161726

O 359+.1

A

0438—1157（2017）06—2266—09

马有福。

彭杰伟（1993—），男，硕士研究生。

国家重点研发计划项目 (2016YFB0600201)。

2016-12-09收到初稿，2017-03-13收到修改稿。

2016-12-09.

MA Youfu, imayoufu@163.com

supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0600201).