豎直窄矩形流道液泛研究

李希川，孫中寧

(哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著高新技術(shù)的突飛猛進(jìn)，高效換熱設(shè)備日趨緊湊和微小型化，相應(yīng)的流動通道也由較大口徑(d≥10 mm)轉(zhuǎn)為窄小甚至微小尺度［1-2］.最新的反應(yīng)堆研究與設(shè)計也趨于采用更加緊密的布置.如，日本原子能研究所在其進(jìn)行的新型反應(yīng)堆研究設(shè)計中，將燃料元件間的間隙由3 mm減至1 mm［3］;東京大學(xué)等在進(jìn)行先進(jìn)壓水堆研究時也幾乎采用了相同的燃料元件間隙［4］.由于氣液兩相流逆向流動特性受流道幾何尺寸的影響較大，而現(xiàn)有的計算關(guān)系式都是在較大流道尺寸條件下得到的，已不能滿足新的技術(shù)發(fā)展的需要，因此，為了保證相關(guān)高新技術(shù)的開發(fā)及新一代反應(yīng)堆的研制能夠順利進(jìn)行，必須盡早開展窄細(xì)流道內(nèi)氣液兩相流逆向流動特性的研究.各國學(xué)者相繼在這一領(lǐng)域開展了諸多研究，如，Larson利用長度為1 550 mm、間隙尺寸為1.1 mm和2.2 mm的非等寬度矩形流道，研究了流道間隙、水溫、壁面濕潤性、氣流引入位置等因素對頂部液泛特性的影響.結(jié)果表明，壁面濕潤性和氣流引入位置的影響強(qiáng)烈，而流道間隙、水溫、氣流的驅(qū)動方式和入口水位的影響很?。?］.Osakabe等人以沸水反應(yīng)堆為應(yīng)用背景，用空氣和水為工質(zhì)對間隙為2.3、5.3、8.3、12.3 mm 的矩形流道進(jìn)行了頂部液泛特性實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)地研究了窄矩形通道的頂部液泛現(xiàn)象［6］.但已有的文獻(xiàn)還缺少對窄小流道內(nèi)液泛過程及特征點(diǎn)進(jìn)行研究.本文對間隙為5 mm，長度為1 000 mm的流道內(nèi)液泛問題進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了液泛過程及液泛特征點(diǎn).

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)是在常溫常壓下的空氣-水回路上進(jìn)行的，如圖1所示.為了便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)段采用透明有機(jī)玻璃制成的窄矩形流道，間隙為5 mm，寬度為50 mm，實(shí)驗(yàn)段有效長度為1 000 mm(即注水器中心線距實(shí)驗(yàn)段入口距離)，流道采用直角入口.流道壓差及桶壓分別采用精度0.25級的差壓變送器與0.2級壓力變送器測量;水流量用稱重法確定;氣體流量采用Promass83FM質(zhì)量流量計確定.實(shí)驗(yàn)時工質(zhì)流程如下:水由水泵從水箱中抽出后從注水器注入流道，在重力作用下流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段、底桶、量液桶，最后返回水箱完成循環(huán);空氣則由空氣壓縮機(jī)壓縮后存入貯氣罐，通過油水分離器凈化后進(jìn)入質(zhì)量流量計確定流量，流經(jīng)底桶進(jìn)入流道，經(jīng)氣水分離器進(jìn)行氣-水分離后排向大氣完成循環(huán).

圖1 實(shí)驗(yàn)回路簡圖Schematic diagram of experimental flow loop

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)時，首先將液相流量調(diào)至預(yù)設(shè)值，然后開啟空氣閥門，將空氣調(diào)至一較小流量，待流動穩(wěn)定后采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).保持液相流量不變，逐步增大氣相流量，并在每一穩(wěn)定工況點(diǎn)記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直至出現(xiàn)液泛起始點(diǎn)、完全攜帶點(diǎn)、流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)、液泛消失點(diǎn).改變液相流量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，完成全部實(shí)驗(yàn).

液泛過程中特征點(diǎn)研究分為2種情況:

1)確定某一水流量后逐漸增加氣體流量.這一試驗(yàn)主要觀察流道內(nèi)流型變化，測量流道壓差及水流出量變化，確定液泛起始點(diǎn)及完全攜帶點(diǎn).

2)確定某一水流量后逐漸減少氣體流量.這一試驗(yàn)過程主要確定流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)及液泛消失點(diǎn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

Wallis的研究結(jié)果表明，在豎直圓管內(nèi)兩相逆向流動情況下，液泛開始點(diǎn)出現(xiàn)時無因次量J*g和J*1有如下關(guān)系:

式中:J*g和J*l可以根據(jù)氣、液相的流量和特征尺寸算出.其中 m和 c為常數(shù)，一般需要通過實(shí)驗(yàn)確定.

式中:Jg為液相折算速度，m/s;Jl為氣相折算速度，m/s;ρg和ρl分別為氣相和液相的密度，kg/m3;D是特征尺寸，m;g為重力加速度，m/s2.而

式中:Qg為氣相體積流量，m3/h;Ql為液相體積流量，m3/h;A是管道截面積，m2.

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及壓差變化分析

在實(shí)驗(yàn)過程中由于水流量的不同會出現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異，將其分為2種典型實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行介紹.

情況1當(dāng)水流量小于150 L/h時(文中以40 L/h為例)，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示，流道壓差變化如圖3所示.

圖2 小流量時實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Fig.2 Still photographs at a water flow of 40 L/h

圖3 小流量時流道內(nèi)壓差，液體流出量與氣體流量關(guān)系Fig.3 Variation of the pressure gradients and the down flow rate with air flow rate at a water flow rate of 40 L/h

實(shí)驗(yàn)開始時，由于流道內(nèi)氣體流量小，氣液界面相對速度小，剪切力亦小，水沿流道壁面自上向下成均勻液膜平穩(wěn)流動，如圖2(a)所示，這時流道內(nèi)壓差較小，幾乎為零，如圖3中AB段所示.隨氣體流量的增加，在重力、剪切力和表面張力的共同作用下，流道氣體入口處出現(xiàn)液膜增厚和明顯的擾動，流道內(nèi)波動較大，液體在氣體的攜帶下開始向上運(yùn)動(如圖2(b)).當(dāng)氣體流量增加至C點(diǎn)時，流道內(nèi)的流型由原來的環(huán)狀流變成波狀流和塞狀流(如圖2(c)).此時，有水被攜帶出流道，判斷此時發(fā)生液泛，C點(diǎn)即為液泛起始點(diǎn).液泛發(fā)生后，由于流道內(nèi)有水被攜帶出去，流道內(nèi)流型又變?yōu)榄h(huán)狀流，但很短的時間內(nèi)即又變?yōu)椴盍骱腿麪盍?，所以流道?nèi)壓差短暫減小后繼續(xù)上升(如圖3中CDE).此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明窄矩形流道內(nèi)液泛機(jī)理符合波動機(jī)理.進(jìn)一步增加氣體流量，在氣體入口處形成大量的漩渦，流道逐漸變?yōu)閿嚮炝?如圖2(d))，由于流道內(nèi)攪混劇烈，壓差逐漸增大，到E點(diǎn)時達(dá)到極值，此時，流道內(nèi)水完全被攜帶向上運(yùn)動，雖然有水由注水口沿管壁向下流，但并沒有流出流道，判定此時發(fā)生完全攜帶，E點(diǎn)即為完全攜帶點(diǎn).繼續(xù)增加氣體流量，被攜帶出的水量逐漸增加，流道內(nèi)液膜開始變薄(如圖2(e))，流道內(nèi)壓差開始下降，如圖3中EF段所示.最后，流道內(nèi)液體完全被吹干，流道變?yōu)閱蜗嗔?，所以壓差隨氣體流量增加開始增大.

情況2當(dāng)水流量大于150 L/h時(以水流量200 L/h為例).實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示，流道內(nèi)壓差變化如圖5所示.

實(shí)驗(yàn)時，由于水流量較大，開始流道即被水封住，氣體被封在底桶內(nèi)無法通過流道，導(dǎo)致底桶內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力升到足以克服流道內(nèi)水柱靜壓時，氣流就會沖開液柱，將大量的水?dāng)y帶出流道，這時底桶內(nèi)壓力下降，水流又會充滿流道向下流動，重復(fù)上述過程，本實(shí)驗(yàn)把這種現(xiàn)象稱為水封現(xiàn)象.開始時，由于流道被水封住，所以流道內(nèi)壓差很大，氣流沖開水柱將大量水?dāng)y帶出后壓差急速下降，流道內(nèi)壓差變化如圖5中AB段所示.隨著氣體流量的增加流道內(nèi)液膜變薄，波浪幅值減小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4(a)所示，實(shí)驗(yàn)段壓差逐漸變大，如圖5中BC段所示.繼續(xù)增加氣體流量，流道內(nèi)形成較穩(wěn)定的環(huán)狀流，液膜隨氣體流量增大逐漸變薄如圖4(b).進(jìn)一步增加氣體流量，流道內(nèi)流型由環(huán)狀流變?yōu)椴盍?，同時氣液界面上相對速度增大，剪切力亦增大，導(dǎo)致很多向上翻滾的液波形成如圖4(c).隨氣體流量繼續(xù)增加，氣體入口處形成大量的漩渦和攪混流，將流道封住如圖4(d)所示，流道內(nèi)壓差快速增大，至圖5中D點(diǎn)，此時，雖然有水沿管壁流下，但并不流出流道，判斷此點(diǎn)為完全攜帶點(diǎn).繼續(xù)增加氣體流量，流道內(nèi)積水越來越少，流型變得逐漸平穩(wěn)，如圖4(e)所示，氣液界面擾動對壓差影響不斷減弱，如圖5中DE段所示.最后，流道內(nèi)液體完全被吹干，流道變?yōu)閱蜗嗔?，所以壓差隨氣體流量增加開始增大.

圖4 大流量時實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Fig.4 Still photographs at a water flow of 200 L/h

圖5 大流量時流道內(nèi)壓差，液體流出量與氣體流量關(guān)系圖Fig.5 Variation of the pressure gradients and the down flow rate with air flow rate at a water flow rate of 200 L/h

2.2 液泛起始點(diǎn)研究

傳統(tǒng)通道內(nèi)液泛起始點(diǎn)判斷一般以壓差急劇變化為依據(jù)，如文獻(xiàn)［7］.但在豎直窄矩形流道內(nèi)由于液泛發(fā)生時流道內(nèi)壓差雖然壓差增大，但并非突變，所以僅用壓差變化不能準(zhǔn)確判斷液泛起始點(diǎn).本文液泛起始點(diǎn)的確定是利用液體流出量隨氣體流量變化存在突變這一特性及實(shí)驗(yàn)段壓差變化共同進(jìn)行判斷.具體做法如下:首先確定一個水流量，逐漸緩慢開大氣體流量，觀察實(shí)驗(yàn)段壓差變化，當(dāng)壓差發(fā)生波動時，要縮短氣體流量調(diào)節(jié)步長，增加穩(wěn)定時間，直到有水從實(shí)驗(yàn)段被攜帶出去，記錄此實(shí)驗(yàn)點(diǎn).取該攜帶點(diǎn)和前一個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)兩者氣體流量的平均值作為此水流量下液泛起始點(diǎn)的氣體流量，認(rèn)為此點(diǎn)即為液泛起始點(diǎn).

圖6為平切口條件下窄矩形流道特泛起始點(diǎn)曲線，擬合得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為

在本實(shí)驗(yàn)中，m=0.624 4，c=0.972 75.因此，豎直窄矩形通道的液泛起始點(diǎn)符合Wallis類型的關(guān)聯(lián)式.

圖6 窄矩形流道液泛起始點(diǎn)曲線Fig.6 Onset of flooding in narrow rectangular channels

2.3 完全攜帶點(diǎn)及流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)研究

當(dāng)實(shí)驗(yàn)段的氣體流量足夠高時，雖有液滴沿管壁向下流下但并不流出流道，此為完全攜帶點(diǎn).逐漸減少氣流量，液體開始從注水器處慢慢向下運(yùn)動，此時出現(xiàn)流向反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象時對應(yīng)的特征點(diǎn)為流向反轉(zhuǎn)點(diǎn).完全攜帶點(diǎn)與水流量大小、入口條件無關(guān)，只與氣體流量有關(guān).流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)與氣體流量、液體流量及入口條件均無關(guān)，只與壁面干燥程度有關(guān)，如圖7所示.實(shí)驗(yàn)段濕潤時，在完全攜帶后稍微減小氣體流量即可實(shí)現(xiàn)流向反轉(zhuǎn)過程，但若持續(xù)通氣，使實(shí)驗(yàn)段干燥一段時間，再減少氣體流量，此時所對應(yīng)的流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壁面潤濕時所對應(yīng)的氣體流量.這是因?yàn)檫@2個過程主要取決于氣體在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的流動速度及液體的表面張力，與氣體入口的阻力大小并無關(guān)系.

圖7 不同液體流量流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)Fig.7 Reversal of the flow direction with different water flow

2.4 窄矩形流道與傳統(tǒng)流道液泛過程比較

圖8、9分別為不同水流量時傳統(tǒng)流道內(nèi)壓差隨氣體流量的變化曲線.比較圖3與圖8，圖5與圖9可以發(fā)現(xiàn)，窄矩形流道與傳統(tǒng)流道的相同點(diǎn)是壓差變化趨勢基本相同，水流量大時都存在二次液泛現(xiàn)象.不同點(diǎn)在于:傳統(tǒng)流道發(fā)生液泛時，流道內(nèi)壓差發(fā)生突變，且為極大值，而在窄矩形流道內(nèi)，發(fā)生液泛時，雖然流道內(nèi)壓差增大，但并沒有發(fā)生突變，液泛起始點(diǎn)并非壓差極大值，窄矩形流道內(nèi)壓差極大值為流道發(fā)生完全攜帶點(diǎn).這也是不用壓差變化來判斷窄矩形流道內(nèi)液泛起始點(diǎn)的原因.

圖8 較小水流量Fig.8 Lower water flow rate

圖9 較大水流量Fig.9 Higher water flow rate

3 結(jié)論

本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

1)窄矩形流道內(nèi)液泛起始點(diǎn)符合Wallis關(guān)系式.與傳統(tǒng)流道液泛起始點(diǎn)以壓差突變進(jìn)行判斷不同，窄矩形流道內(nèi)液泛起始點(diǎn)的判斷以有水被攜帶出流道為標(biāo)志.

2)窄矩形流道與傳統(tǒng)流道的壓差變化趨勢基本相同，不同點(diǎn)在于傳統(tǒng)流道發(fā)生液泛時，流道內(nèi)壓差極大值出現(xiàn)在液泛起始點(diǎn)，而窄矩形流道出現(xiàn)在完全攜帶點(diǎn).

3)完全攜帶點(diǎn)與水流量大小、實(shí)驗(yàn)段入口條件無關(guān)，只與氣體流量大小有關(guān).

4)流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)段壁面干燥程度有關(guān)，與水流量大小及氣體入口條件無關(guān).

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