小尺度垂直管内气液两相流型及转换界限研究.pdf

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1、第34卷第3期东北电力大学学报Vo1．34．No．32014年6月JournalOfNortheastDianliUniversityJun．，2014文章编号：1005-2992(2014)03—0026—05小尺度垂直管内气液两相流型及转换界限研究洪文鹏，张更莉，肖飞(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要：采用高速摄像仪(CCD)对垂直上升管(内径3mill和5mm)内空气一水两相流进行可视化研究。在实验范围内，拍摄到了泡状流，弹状流，扰动流，段塞流和雾状流5种典型流型图像；两种管径下

2、气液两相流流型及流型转换界限不同，且5mm管的流型转换区域与Mishima-Ishii模型相似；3mm管道的转换边界与Akbar等模型具有一定的一致性。关键词：小尺度；气液两相流；流型图；转换界限中图分类号：0359+．1文献标识码：A近年来，工业生产的各种领域中广泛的涉及到气～液两相流的应用，理论研究方面也取得了很大的进展¨】J。在化学工程领域方面，对于两相流动的研究主要是关于流型、压降、传热、传质等方面的研究。特别是在微化工技术中，设计和开发小型结构设备，例如：小型的接触设备，小型反应设备，小型分离设备以及

3、换热设备，正越来越受到各个领域的青睐J。小管道由于特征尺度小而具有大的比表面积(两相比表面积可达到105mm_ljJ，)，因此在相同的体积下，小尺度管道中所对应的传质、传热远高于传统设备’J。目前，国内外多位学者对常规尺度管内和管外气液两相流型、压降、含气率及摩擦系数等进行了大量的研究一。但由于受到流体驱动方式、管道的材料、尺寸和结构等因素的影响，有关小通道内两相流流动特性的研究还不是很成熟，且由于小尺度垂直上升管所采集的两相流特征信号如压差信号，受到摩擦压降和重位压降的复合影响，研究小尺度垂直上升管内气液两相

4、流流动的期刊相对要要少的多。本文以垂直管内的气液两相流为研究对象，采用高速摄像仪采集不同管径下垂直上升管内两相流的流型信息，通过数据采集系统测量了实验段的压差波动信号以及气、液两相的流量电压信号。1实验系统及方法气液分离器实验系统如图1所示。该系统包括3部分，流体控制系统、图像采集系统和动态数据采集系统。流体控制系统由空气压缩机、两相混合器、气液分离器、水泵、水箱及实验段组成。液相通过水泵给压流经涡轮转子流量计后进入两相混合器，气相通过空气压缩机升压后流经玻璃转子流量计进入两相混合汁算机器与液相充分混合后进人实

5、验段，进行流动图像采图l实验系统图集和压差信号采集后，进人气液分离器，将空气分离收稿日期：2014-03—10作者简介：洪文鹏(1970一)，男，辽宁省绥中市入，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士，主要研究方向：多相流理论及应用技术28东北电力大学学报第34卷依然继续生长，直到气泡轴向长度大于径向长度。Taylor流是分散的细长气弹被连续液弹沿轴向分开，其轴向长度比管径长，气弹在相对较低的表观液速下具有规则的形状，主体光滑并且头尾处接近球状，如图2(b)所示。当气液表观速度增大，气弹的形状像子弹，呈现出头

6、尖尾平的流动形态，如图2(b，)所示。表观液速相对较低增大表观气速，气弹变长直到合并形成扰动流，此时，气核被液膜环绕，大幅度波动频繁出现，如图2(c)与图2(c。)所示。在扰动流的基础上，进一步增大表观气速，在2个实验段内形成段塞流，如图2(d)与图2(d，)所示。当气体被液体完全打碎并分散于液体中，形成雾状流。如图2(e)与图2(e：)所示，与段塞流相比，雾状流下的气液混合程度大大加强，这主要是由于相较于段塞流下气液流动多为层流，而雾状流下气液两相流动则是湍流主导的缘故。Coleman等¨利用管径分别为1．3

7、0mm、1．75Inm、2．40Inin以及5．5min的一系列圆形截面管进行实验，在他们的实验中，观察到的流型有泡状流、分散流、弹状流、环状流、雾状流。2．2流型转换图图3所示是关于两种尺寸(d=3min、d=5Inin)下分别以气液两相表观速度作为横纵坐标所得到的两相流型图，在流型图中，不同的流型以不同的符号表示，各流型问的流型转换边界以黑色虚线表示。Uscrn／UsGm／sA(d1=3mm)B(d=5mm)图3垂直上升管道内气一水两相流流型图由图3可得：3min管和5／13113管的流型转换边界区域相比，

8、5inn管弹状流向泡状流的转换边界向更低的表观气速移动，分析原因是管径小，管内形成泡状流的气泡体积越小，而小体积气泡的形成需要更高的液速；3mill管从弹状流到扰动流以及从扰动流到雾状流的转换边界均向更高的表观气速移动，对此趋势可以给出的解释是：管径越小，表面张力作用明显(因研究对象均为垂直上升管，故此处不考虑重力压降对流型的影响)，越容易形成曲面，气弹也就越难被破坏。3Inm管从段塞