U型管对竖直向上环状流液膜分布的影响

薛 婷，李卓林



U型管对竖直向上环状流液膜分布的影响

薛 婷1, 2，李卓林1, 2

(1. 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072；2. 天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072)

针对管道中距离U型管不同位置处的竖直向上环状流轴向液膜分布，基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术，设计并搭建了内径为25mm的气液两相流循环装置，采用高速摄影获取距离U型管不同位置处的液膜荧光图像，并通过数字图像处理技术进行特征提取．结果表明：当距离U型管达到25倍管径时，U型管对液膜发展及分布影响显著降低；将获得的平均液膜厚度数据与液膜厚度经典预测模型进行对比分析，表明在此距离时竖直向上环状流液膜发展及分布稳定．

竖直向上环状流；液膜厚度；平面激光诱导荧光；U型管

竖直向上环状流是典型的气液两相流之一，具有较大的气液相流速范围[1]，在工业领域中较为常见，例如设备散热、内燃机燃料供给、海水淡化以及石油化工等[2-3]．而许多重要的流动特征参数的获得都需要以液膜厚度信息为基础，所以对液膜厚度的发展分布进行研究具有重要意义．在液膜厚度测量的研究中，电导探针方法较为常用，Belt等[4]利用环形电导探针矩阵测量竖直向上环状流液膜，同时获得其轴向与周向液膜厚度信息．Sadatomi等[5]利用电导探针测量不同表面张力液相下竖直向上环状流液膜变化，并提出了新的液膜厚度预测模型．

基于光学信息的非侵入式液膜测量方法具有良好的时间与空间分辨率，并且因为其非侵入的测量形式，对流场信息无干扰，是一种较理想的液膜测量手段，被越来越多的学者应用于科学研究[6]．Zboray 等[7]对基于冷中子成像技术测量竖直向上环状流液膜厚度进行了有益尝试．Bartkus等[8]利用激光扫描与激光诱导荧光技术对微通道内液膜厚度进行了测量，研究了微型管道内相扰动产生的影响．Pan等[9]基于高速摄影技术对竖直向上环状流液膜厚度进行测量，并提出了新的液膜厚度预测模型．Kokomoor等[10]对基于激光诱导荧光技术竖直向上环状流测量算法进行了改良，并与经典模型进行对比，结果表明测量误差被有效减小．Charogiannis等[11]将粒子图像测速技术与激光诱导荧光技术相结合，对薄液膜的膜厚度进行了测量，在此基础上，将获得的平均液膜厚度信息与Nusselt[12]提出的数学模型进行比对，获得了较理想结果．Zadrazil等[13]利用平面激光诱导荧光技术(PLIF)对环状流液膜厚度测量进行了研究．

在诸如制冷、发电、炼油等领域，经过U型管道的环状流流动广泛存在[14-16]，而这给相关热交换设施的设计和运行中造成了困难，例如，沿着管壁的不均匀分布的液膜可能会产生局部干燥斑点并导致沸腾的危险，或是引发停电，增加维护费用．为了防止这种情况的发生，进行U型管对环状流液膜发展及分布影响的研究具有重要意义，Abdulkadir等[17]基于电导探针研究了在内径127mm的管道系统中，U型管对竖直向下液膜厚度的影响．PLIF具有非侵入、高时空分辨率的原理优势，为研究不同工况下的液膜分布提供了新的技术手段．

本文基于PLIF技术，针对内径为25mm的竖直向上环状流管道系统中，距离U型管不同位置处的轴向液膜进行测量，并结合数字图像处理技术，准确提取平均液膜厚度，以研究U型管对液膜分布带来的影响．

1 实验装置与测量原理

1.1 实验装置

为了研究U型管对竖直向上环状流液膜发展及分布影响，搭建气液两相流循环装置，如图1所示．实验管道由304不锈钢与有机玻璃组成，有机玻璃管道分为竖直向上段与竖直向下段，之间由弯曲半径20cm、内径25mm的180°不锈钢U型管连接，测量段管道为内径25mm、壁厚5mm、长1.8m的有机玻璃管道．

空气压缩机用以提供装置所需的压力等级，最大排放压力为0.12MPa，实验测试压力为0.2～0.4MPa．为抑制气相波动，采用3m3的气罐收集压缩机提供的空气．在实验进行之前，将空气通过过滤减压阀，去除碎屑和湿气，并使用气相涡轮流量计对空气流量进行测量，以便调节气相流量．

8m3的水箱用来储水，通过离心泵将水运送到循环回路，该泵可在变频器作用下提供不同的流速，其流量及扬程分别为14.5m3/h与42.1m，通过调节球阀G1～G6对流量进行调节，并由电磁流量计进行计量，其流量测量范围为1.6～9.3m3/h．对于压力测量，该装置在竖直向上和向下测量部分中的位置P1、P2配备有2个压力传感器．

图1 气液两相循环装置示意

1.2 基于PLIF的环状流轴向液膜厚度测量原理

由于激光具有单色性好、亮度高、方向性好、精度高等其他光源不可比拟的优势，从而在光学测量领域被广泛应用，而高速摄像机可以在高频率条件下记录高速运动物体的动态图像．基于PLIF竖直向上环状流轴向液膜厚度测量装置示意如图2所示，其中图2(a)是实验装置主视图，在液相中添加荧光染料，片状激光平行于液相流动方向，高速摄像机拍摄被激光激发的液膜荧光图像，镜头前加装滤光片以滤除其他光源干扰，基于数字图像处理技术对采集得到的连续多张荧光图片进行处理，最终提取出荧光图像的厚度信息，通过建立与实际长度单位的映射，获得液膜厚度信息．图2(b)是实验装置俯视图，如图所示，高速摄像机与片状激光成90°，在有机玻璃管道外加装同样由有机玻璃制成的矩形折射率校正盒，并在其中填充与管道相同折射率的液体，从而减少由于弯曲管壁造成的图像畸变失真．

图2 基于PLIF的竖直向上环状流轴向液膜厚度测量示意

2 竖直向上环状流轴向液膜厚度测量

在图1气液两相流动循环实验装置中，在距离U型管不同高度处进行竖直向上环状流轴向液膜厚度测量实验．测量位置距离气液混合器出口满足环状流充分发展长度，此时液膜厚度不受气液相混合扰动的影响．将罗丹明B作为荧光染料，溶于水中，等待测量段液膜厚度较稳定后，利用激光器与高速摄像机获取轴向液膜荧光图像．通过调节球阀开闭，在液相表观流速与气相表观流速分别为0.05m/s和5～27m/s时，分别在距离U型管不同轴向位置(/＝15、20、25、30、45，代表测量点距离U型管长度，代表管道直径)进行实验，分别获取相应位置处不同气液相流速下液膜图像．

由于实验环境的复杂性和电源的电磁干扰，高速摄像机拍摄的液膜图像存在噪声，增加了液膜厚度提取的难度．因此，在提取液膜厚度之前，原始图像需要进行预处理以减少环境因素的影响，图3(a)是高速摄像机拍摄的竖直向上环状流液膜原始图像，对原始图像进行灰度化、差影处理，并用3×3模板对其进行中值滤波以去除单像素噪声，在此基础上，图3(b)是基于最大类间方差法获得的液膜二值化图像．

图3 图像处理

根据靶标的标定参数，将提取的液膜图像像素值转化为实际长度，其空间分辨率优于0.02mm．在不同气液相流速下，分别采集1000幅分辨率单位为960像素×720像素的轴向液膜图像，选取每幅图中轴向距离为30个像素的固定区域，求取平均液膜厚度，在此基础上，对1000幅图像再次求取平均，获得测量点在某一气液相流速下的平均液膜厚度为

图4为距离U型管不同位置(/＝15、20、25、30、45)，在0.05m/s的液相表观流速下平均液膜厚度相对于不同气相表观流速的发展趋势．

图4 不同位置处平均液膜厚度随气相表观流速变化趋势

由图4可知，5个不同位置处的平均液膜厚度随着气相表观流速的增加而减小，中间和底部位置处的液膜厚度接近，而在顶部位置处(/＝15、20)的平均液膜厚度明显更厚，特别是在低气相流速时，当气液两相混合动量较小时，U型管弯曲带来的阻碍效应在流动液膜分布不均匀中更为主导，在动量较大时，效应越弱，而且越靠近U型管，随气相流量流速的增加，平均液膜厚度下降得更快，除此之外，可以初步确定当距离U型管大于或等于25倍管道直径距离时(/≥25)，竖直向上环状流液膜发展充分，U型管对平均液膜厚度分布影响较弱．

为了进一步确定当距离U型管大于或等于25倍管道直径时，竖直向上环状流液膜厚度是否不受其影响，将测量数据与无U型管影响下竖直向上环状流液膜的经典预测模型进行对比．如表1所示，相关研究者通过对其实验数据非线性拟合得到的竖直向上环状流平均液膜厚度预测模型．其中，表示平均液膜厚度，g、f分别表示气液两相的雷诺数，g、f分别表示气液两相的黏度，g、f分别表示气液两相密度．

表1 平均液膜厚度预测模型

Tab.1 Average liquid film thickness prediction model

将本文测量数据与上述预测模型进行对比，结果如图5所示．

图5 平均液膜厚度预测模型与实验数据比较

由图5可知，在距离U型管小于25倍管道直径距离(/＜25)时，实验数据与预测模型吻合度较差，而当距离U型管大于或等于25倍管道直径距离(/≥25)时，实验数据与预测模型吻合度较好．计算实验数据与预测模型间的均方根误差，当/≥25时，其均方根误差小于0.04．该结果进一步表明了基于PLIF的环状流液膜厚度测量方法准确、可靠，可实现轴向液膜厚度的非侵入、高精度测量．同时，也表明当距离U型管大于或等于25倍管道直径距离时，U型管对液膜厚度分布的影响趋弱，竖直向上环状流可以得到充分发展．

3 结 语

本文基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术，在不同气液相流速下，对内径为25mm的气液相混合循环系统中距离U型管不同位置处的竖直向上环状流轴向液膜进行测量，并通过数字图像处理技术获得平均液膜厚度，以研究U型弯管对其的影响．实验结果表明：平均液膜厚度随着气相表观流速的增加而减小，中间(如/＝25)和底部位置(如/＝45)处的液膜厚度相当接近，而在顶部位置(如/＝15)处的液膜厚度明显更大，特别是在低气相流速时，当气液两相混合动量较小时，U型管的弯曲带来的阻碍效应在流动液膜分布不均匀中更为主导，在动量较大时，效应越弱，而且越靠近U型管，随气相流量流速的增加，液膜厚度下降的更快．除此之外，当距离U型管达到25倍管径时，U型管对液膜发展及分布影响显著降低，与相关液膜厚度经典预测模型进行对比分析，结果表明在这个距离时竖直向上环状流液膜发展及分布趋于稳定．

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Influence of U-Bend on the Distribution of Upward Annular Flow Liquid Film

Xue Ting1, 2，Li Zhuolin1, 2

(1. School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2. Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Control，Tianjin 300072，China)

In this study，to investigate the longitudinal liquid film distribution of upward annular flow at different positions from the U-bend，a gas-liquid two-phase flow circulating device with an inner diameter of 25mm was designed and constructed based on the planar laser-induced fluorescence(PLIF)technique. The liquid film fluorescence images at different positions from the U-bend were obtained using high-speed photography，and the liquid film thickness features were extracted using digital image processing. The experimental results show that when flow reached an axial distance of 25 times the diameter from U-bend，the effects of the U-bend film thickness on the development and distribution of the liquid film were significantly reduced；in addition，the average liquid film thickness measurement data were compared with the relevant classical film thickness prediction models，and the results show that upward annular flow is reasonably developed and distributed at this position.

upward annular flow；liquid film thickness；planar-laser induced fluorescence(PLIF)；U-bend

10.11784/tdxbz201801068

TN247

A

0493-2137(2018)12-1316-05

2018-01-15；

2018-07-03.

薛 婷（1977—），女，博士，副教授.

薛 婷，xueting@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(61671321，61372143)；天津市自然科学基金资助项目(17JCYBJC18400).

the National Natural Science Foundation of China(No.61671321 and No.61372143)and the National Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.17JCYBJC18400).

(责任编辑：孙立华)