基于双脉冲电流源的气-液两相环状流壁面剪切力的测量.pdf

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1、第32卷第1期东北电力大学学报V01．32．No．1JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．，20122012年2月文章编号：1005—2992(2012)01—0019—06基于双脉冲电流源的气·液两相环状流壁面剪切力的测量周云龙，任库，潘佳琦2，潘佳蕊。，赵洋(1．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012；2．佳木斯大学国际交流学院，黑龙江佳木斯154000；3．沈阳飞机设计研究所，沈阳110000)摘要：剪切力是两相流检测中重要的参数之一，将双脉冲电流源应用于气液两相环状流的液膜厚度进行检测，并首次建立

2、起液膜厚度与壁面剪切力的函数关系；设计实验，分析函数的准确性。具有原理简单，对流型无影响，设计成本低，适用范围广等特点。关键词：环状流；动量方程；液膜厚度；剪切力中图分类号：TH89文献标识码：A0前言气液两相环状流是气液两相流的一种基本流型，其在化工，能源及医学等领域均广泛出现。壁面剪切力是两相流检测的重要参数之一，其对管路的摩损及流型的转变和流动状态都有影响，因此对其的测量是流体力学研究中基本而又重要的一环。国内外学者研制了多种壁面剪切力测量方法：1)平衡法：基本原理是通过调节两个环形腔室的之间的压力差，当与管段自重达到平衡时，自由管段就成为悬浮状态。

3、此法中比较成功的是由Cravarolo等描述的下测量仪⋯。但其使用范围受到限制：通道表面的间断，这可能对两相流动产生影响。2)扩散控制电解技术：基本原理是通过测量一小面积单元上的传质系数，推演出局部壁面切应力。利用氰铁酸盐一氰亚铁酸盐反应，使用Leveque解法建立切应力与测量的传质系数之间的关联式。此方法的局限性：循环液体中必须含有氧化还原电解液；当使用空气一液体混合物进行实验时，溶液会随时间的延长而变质。3)热膜探头技术：基本原理是与壁面齐平安装一很小的加热片，并确定将此加热片保持在一定温度下所需的热流密度ql2J，根据热流密度与壁面剪切力的关系确定壁

4、面剪切力。此方法使用上的问题：市场上的热膜组件是平面型的，若将这种组件应用于弯曲通道就会对液膜产生干扰；由于探头是热的，将导致流动的液体脱气，在探头表面形成气泡，使探头的响应不稳定。为了避免上述方法的局限性，同时也为了提高实验的精度和信号处理速度，本文采用原理简单的双脉冲电流源作为检测手段，不但成本低廉，不干扰流型，检测结果准确，同时也为研究剪切力与管路的磨损和管内流动状态的关系提供了一定的可能性与参考价值。收稿日期：2011—11—15作者简介：周云龙(1960一)，男，吉林省扶余市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士，博士生导师，主要研究方向：

5、气液两相流特性及检测．20东北电力大学学报第32卷l系统结构与工作原理系统结构原理图如图1所示，由气路，水路及信号采集和测量段组成。其中气路由空气压缩机，孔板流量计及阀门组成；水路由离心水泵，电子流量计，阀门组成；信号采集和测量段由实验段和计算机组成，其中实验段的结构图如图2所示，主要就是传感器，由安装在绝缘有机玻璃管上按一定的距离排列的四个圆环黄铜电极组成，外侧两个作为激励电极，中间两个做为检测电极[3]。工作方法是电流激励，电压响应。传感器内部的敏感场分布的合理性以及激励电流源的优化设计文献[4]已经予以说明。传感器工作原理：当气液两相环状流流经传感器

6、内壁时，管内液膜电阻值的变化对应液膜厚度的变化，而液膜厚度的变化又对应着壁面剪切力的变化。在管外一对电极上施加激励电流，然后测量检测电极的电压变化，并根据响应电压与壁面剪切力的关系式，实现对壁面剪切力的测量。测量系统由双脉冲激励电源、传感器、采集卡和软件系统共同组成。现成的双脉冲电流源价格昂贵，所以自行设计了一个双脉冲激励电流源，传感器就是安装有激励电极和测量电极的测试段；测量系统的采集卡不仅能实现信号的采集，还对双向开关的切换时序进行控制，省去了单片机开发的过程；软件系统采用LABVIEW计算机语言编写。lJ●0R1、rIl0一号、t-D＼图1实验系统图

7、图2实验段结构图2测量公式的提出2．1模型简化对于垂直上升圆管内环状流的产生Taite等利用液滴重力和液滴对气流的物理阻力之间的平衡关系，推得环状流的转变条件。在实验条件下当蒸发管中干度在大约0．1以上或者气相速度是液相三十倍时，便可用肉眼观察到环状流的产生。本文将环状流作为单纯环状流考虑，即气流中不夹带液滴。其物理结构如图3所示，为建立合理简化的模型，进行如下假设：(1)稳定流动；(2)液膜沿周向分布均匀；(3)压力沿径向分布均匀；(4)气液界面光滑。2．2模型建立环状流的横截面积为：环=丌(一)2，(1)Lm根据电阻定义式得，=y，(2)由欧姆定律得，

8、，(3)第1期周云龙等：基于双脉冲电流源的气．液两相环状流壁面剪切