氣液兩相流繞管束流動(dòng)壓降特性實(shí)驗(yàn)研究

洪文鵬，王宣宇，陳柄君

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.長春供電公司，長春130041)

在動(dòng)力工程、石油化工、核能利用等領(lǐng)域廣泛存在氣液兩相流體繞流管束的流動(dòng)現(xiàn)象，如冷凝器、蒸發(fā)器及核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器等管殼式換熱設(shè)備［1-2］。管束間的氣液兩相流壓降特性對(duì)其繞流流動(dòng)特性和傳熱規(guī)律有著重要的影響［3］。因此對(duì)換熱器管束間壓降的準(zhǔn)確預(yù)測有利于設(shè)備的高效安全運(yùn)行。

目前國內(nèi)外多位學(xué)者對(duì)管內(nèi)氣液兩相流型、壓降、含氣率及摩擦系數(shù)等進(jìn)行了大量研究，而對(duì)氣液兩相流體橫掠管束流動(dòng)特性的相關(guān)研究較少。Chisholm D［4］研究了兩相流水平橫掠管束時(shí)的流行轉(zhuǎn)變的壓降特性，建立了預(yù)測流型轉(zhuǎn)變的壓降模型。Dowlati R［5］以空氣-水為介質(zhì)研究了管間距對(duì)壓降的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Martinelli參數(shù)一定時(shí)，順列管束的管間距越大兩相摩擦因數(shù)越大，而錯(cuò)列管束摩擦因數(shù)幾乎不受間距變化影響。Schrage D S［6］等人以空氣-水為介質(zhì)研究了影響摩擦因數(shù)的因素。以上建立的關(guān)聯(lián)式都在其特定的條件下建立的，適用范圍有限。本文對(duì)氣液兩相流繞流節(jié)距比分別為1.8和1.3的兩種不同管束的壓降特性進(jìn)行研究，并對(duì)已有的壓降預(yù)測模型驗(yàn)證分析。

1 理論模型

本實(shí)驗(yàn)中壓降實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析所采用的兩種模型為。因此對(duì)兩種模型做簡要的介紹。

1.1 一維模型

假定氣液兩相流繞流管束氣液兩相充分發(fā)展，一維，穩(wěn)態(tài)，絕熱。因此，氣液兩相混合發(fā)展的動(dòng)量方程為

Fsf是管束對(duì)流體的作用力，由下式給定

1.2 雙流體模型

雙流體模型采用多孔介質(zhì)法(多孔介質(zhì)是由多相物質(zhì)所占據(jù)的共同空間，是多項(xiàng)物質(zhì)共存的組合體)進(jìn)行推導(dǎo)，假定兩相流動(dòng)絕熱，穩(wěn)定，充分發(fā)展。假設(shè)固體體積份額εs，液體份額，εl，氣體份額，εg，則

可用于流動(dòng)部分的體積分?jǐn)?shù)，即孔隙度是φ=εg+εl=1-εs，對(duì)于順列管束孔隙度為

D是管道直徑，P是管間距。因此動(dòng)量方程為

Flg是單位體積液體作用在氣體上的作用力，F(xiàn)sg是單位固體容積作用在氣體上的作用了，相應(yīng)的是單位固體容積作用在液體上的作用力。Flg=-Fgl，由氣液動(dòng)量方程得

Fsl由液體速度和氣體速度相關(guān)，

其中:CD為曳力系數(shù)，Agl為橫斷面上所有氣泡所占截面積，εg=，帶入(10)得

簡化后曳力系數(shù)計(jì)算式為

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)是在空氣-水兩相流系統(tǒng)上完成的。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置包括兩部分，流體控制系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。流體控制系統(tǒng)主要有空氣壓縮機(jī)、兩相混合器、水泵、旋風(fēng)分離器、水箱及實(shí)驗(yàn)段組成。水由水泵抽出，經(jīng)電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入混合器?？諝饨?jīng)空氣壓縮機(jī)和氣體孔板流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入混合器。從混合器流出的氣水混合物，流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，將空氣分離出來并排入大氣，分離出的水流回水箱循環(huán)使用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有恒壓直流電源、壓力變送器和數(shù)據(jù)采集儀組成。采集儀為IDTS-4516U型16通道數(shù)據(jù)采集儀。壓力變送器為Rosemount 3051S電容式壓力傳感器，測量精度0.05%。實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間為8s，采集頻率256 Hz。

圖2為實(shí)驗(yàn)測試段的管束布置。測試段是由10 mm厚的有機(jī)玻璃板制成的長度為700 mm，截面為180 mm×65 mm的矩形通道，分別布置節(jié)距比P/D為1.3和1.8的10×4和10×6兩種管束。管直徑20 mm，長65 mm，采用順列布置。

圖2 測試段管束布置

圖3 沿管束流動(dòng)方向的壓力降比較

實(shí)驗(yàn)中，先調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥，把水流量調(diào)到某一流量，再通過調(diào)節(jié)氣體流量來改變流經(jīng)試驗(yàn)段的總流量和含氣率，重復(fù)上述步驟直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍:壓力0.1～0.3 MPa，溫度10～25℃，水流量2 ～15 m3/h，氣流量0.01 ～48 m3/h。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

繞流管束時(shí)流型主要有三種，即泡狀流、間歇流、霧狀流。氣體以細(xì)小氣泡的形態(tài)分散在液體中流動(dòng)，氣泡尺寸非常小，近似球形或橢球形時(shí)的流型稱之為泡狀流;液彈和氣彈連續(xù)相隨，交替經(jīng)過管束，中間伴隨著氣彈的形成和破碎時(shí)的流型為間歇流;除了小部分液體粘在管壁或在管束表面形成一層液膜，大部分液體以液滴方式隨氣流一起流動(dòng)，這時(shí)的流型為霧狀流。實(shí)驗(yàn)測量了不同流型工況下的壓力降，流過管束不同流型壓力降如圖3所示。實(shí)驗(yàn)測得含氣率在0.15～0.65之間時(shí)，流過兩種節(jié)距比管束間的壓降泡狀流最大，間歇流次之，霧狀流最小。可能的原因是在氣液兩相流垂直向上流動(dòng)過程中，含氣率在0.15～0.65范圍內(nèi)，質(zhì)量流量小時(shí)兩相壓降幾乎由重力壓降決定(忽略加速壓降)，而重力壓降的大小與含氣率有密切關(guān)系，質(zhì)量含氣率小，重力壓降大。泡狀流的質(zhì)量含氣率最小，所以壓降最大，間歇流壓降次之，霧狀流最小。

將測量壓降與一維模型和雙流體模型預(yù)測值進(jìn)行比較。一維模型選取三種關(guān)聯(lián)式，分別是Schrage［7］關(guān)聯(lián)式，Dowlati［8］關(guān)聯(lián)式，F(xiàn)eenstra［9］關(guān)聯(lián)式。計(jì)算中兩相摩擦關(guān)聯(lián)因子由 Ishihara［10］實(shí)驗(yàn)所得，單相損失系數(shù)由ESUD［11］實(shí)驗(yàn)所得。

圖4是壓降測量值與兩種模型預(yù)測值的比值隨質(zhì)量含氣率的變化趨勢。圖4(1)顯示質(zhì)量流量為50 kg/m2s時(shí)，預(yù)測值與測量值接近，而隨質(zhì)量流量的增加，壓降預(yù)測值與測量值吻合度較差，特別是含氣率超過0.3。與雙流體模型相比，一維Feenstra模型和Dowlati模型預(yù)測壓降效果較好，從圖4(2)和圖4(3)可以看出，隨質(zhì)量流量的增大，其預(yù)測數(shù)據(jù)合理性減小，預(yù)測數(shù)據(jù)偏離實(shí)驗(yàn)值。由圖4(4)可以看，一維Shrage模型對(duì)壓降的預(yù)測普遍高于實(shí)驗(yàn)值，特別是質(zhì)量含氣率大于0.15時(shí)，在質(zhì)量流量為160 kg/m2s時(shí)其預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步偏離實(shí)驗(yàn)值。高的壓降預(yù)測值出現(xiàn)的原因可能是在計(jì)算過程中采用的含氣率關(guān)聯(lián)式過高的考慮了重力壓降的影響，而實(shí)際流動(dòng)過程中其影響較小或有可能不存在。而在大質(zhì)量流量時(shí)，預(yù)測數(shù)據(jù)偏低，可能由于流動(dòng)過程中的摩擦壓降的變化造成的。因此，進(jìn)一步的工作需要研究大質(zhì)量流量下的摩擦壓降的影響以及修正或建立適用更寬泛的預(yù)測模型。

圖4 壓降比值隨質(zhì)量含氣率的變化曲線

4 結(jié) 論

本文對(duì)氣液兩相繞流管束的壓降進(jìn)行測量并分析了其壓降特性，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與一維預(yù)測模型和雙流體預(yù)測模型的預(yù)測值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)一維Feenstra模型和Dowlati模型預(yù)測效果較好。

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