氣液兩相流多尺度相干結(jié)構(gòu)及其間歇性

陳文義， 郭莎莎， 姜 楠

(1.河北工業(yè)大學(xué) 過(guò)程裝備與控制工程系，天津 300130;2.河北工業(yè)大學(xué) 工程流動(dòng)與過(guò)程強(qiáng)化研究中心，天津 300130;3.天津大學(xué) 力學(xué)系，天津 300072)

氣液兩相流多尺度相干結(jié)構(gòu)及其間歇性

陳文義1，2， 郭莎莎1，2， 姜 楠3

(1.河北工業(yè)大學(xué) 過(guò)程裝備與控制工程系，天津 300130;2.河北工業(yè)大學(xué) 工程流動(dòng)與過(guò)程強(qiáng)化研究中心，天津 300130;3.天津大學(xué) 力學(xué)系，天津 300072)

小波分析用于流體力學(xué)的研究已有一定的進(jìn)展，采用恒溫?zé)崮y(cè)速技術(shù)，以高于對(duì)應(yīng)的最小湍流時(shí)間尺度分辨率，精細(xì)的測(cè)量了鼓泡塔內(nèi)不同空間位置的瞬時(shí)氣液兩相流動(dòng)速度信號(hào)?；谧硬ㄏ禂?shù)的瞬時(shí)局部平坦因子，提出用子波分析檢測(cè)湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)的條件采樣方法，以單氣泡結(jié)構(gòu)的相位平均波形為基礎(chǔ)，對(duì)鼓泡塔內(nèi)氣液兩相湍流場(chǎng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:鼓泡塔中氣泡結(jié)構(gòu)是兩相湍流產(chǎn)生奇異性和間歇性的誘因，噴嘴出口區(qū)域的一定噴射錐角范圍內(nèi)，才有氣泡結(jié)構(gòu)，并受到對(duì)應(yīng)的平坦因子及間歇性的影響。

氣液兩相流;條件相位平均波形;間歇性;平坦因子

0 引言

氣液兩相流動(dòng)廣泛存在于能源、環(huán)境、化工、燃燒及礦業(yè)等各工業(yè)領(lǐng)域中。氣液兩相流與湍流密切相關(guān)，湍流是由各種不同尺度、不同幅度和不同相干度的層次結(jié)構(gòu)組成，在從積分尺度到耗散尺度的連續(xù)分布的每個(gè)尺度上，都存在具有最大振幅和最高相干度的結(jié)構(gòu)，即最強(qiáng)間歇結(jié)構(gòu)［1］。氣液兩相流動(dòng)的研究比單相流的研究相對(duì)落后，因此，對(duì)它的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。以前對(duì)氣液兩相流的研究較多關(guān)注流場(chǎng)的平均特性，現(xiàn)在利用先進(jìn)的儀器設(shè)備可以采集到流場(chǎng)的局部流動(dòng)信號(hào)，可以得到更有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

小波分析用于流體力學(xué)的研究已有相關(guān)進(jìn)展［2－5］。筆者針對(duì)熱膜測(cè)速儀測(cè)得的鼓泡塔中的氣液兩相流動(dòng)信號(hào)，基于子波分析［6］研究氣液兩相湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)的條件相位平均波形和間歇性。

1 氣液兩相湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

根據(jù)子波系數(shù)，可以定義間歇性的量化指標(biāo)，由Farge等［7］人引入的一種測(cè)量間歇性的測(cè)度，即瞬時(shí)強(qiáng)度因子，定義為

它對(duì)于速度場(chǎng)在每個(gè)尺度的局部行為給出了一個(gè)明確的特征量。

描述間歇性的量化的另一個(gè)指標(biāo)是子波系數(shù)的平坦因子，瞬時(shí)局部平坦因子為

其對(duì)位置參數(shù)b的平均值，即是單一尺度結(jié)構(gòu)的平坦因子:

根據(jù)子波系數(shù)的瞬時(shí)局部平坦因子，提出了用子波分析檢測(cè)湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)的條件采樣方法。

根據(jù)子波系數(shù)的瞬時(shí)局部平坦因子，定義檢測(cè)函數(shù)如下:

其中T(a)是根據(jù)文獻(xiàn)［8］，用單一尺度速度信號(hào)自相關(guān)函數(shù)確定的湍流結(jié)構(gòu)的尺度。

在間歇性的相干結(jié)構(gòu)被檢測(cè)到后，便可對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行相位平均，從而獲得事件的平均演化過(guò)程:

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)180 mm，內(nèi)徑80 mm，探頭置于實(shí)驗(yàn)段中間。氣體由底部經(jīng)氣體分布器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，實(shí)驗(yàn)段的作用是得到大小均勻分布的氣泡。調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量可得到不同含氣量的氣液兩相流場(chǎng)?；跓崮ぬ结槣y(cè)量，通過(guò)TSI熱線測(cè)速儀采集數(shù)據(jù)，采樣頻率控制在20 kHz，采樣時(shí)間設(shè)定為50 s，測(cè)速儀輸出的電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后經(jīng)計(jì)算機(jī)處理。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將無(wú)離子水注入實(shí)驗(yàn)段保持靜止。

圖1 氣液兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Test system of gas-liquid bubbly flows

TSI 1210－20W型熱膜水探針每次使用前都經(jīng)過(guò)TSI公司提供的10180型水探頭校準(zhǔn)器校準(zhǔn)。圖2為TSI 1210－20W型熱膜水探針的校準(zhǔn)曲線。

圖2 TSI 1210－20W熱膜探針的標(biāo)定曲線Fig.2 Hot-film probe calibration curve

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為進(jìn)氣流量qg=0.15 L/min時(shí)，平坦因子隨法向在不同徑向位置處的分布規(guī)律。

圖3 平坦因子隨法向位置的分布規(guī)律Fig.3 Distribution of flatness factor across normal direction

由圖3可知，在噴嘴出口，即r/R=0處，平坦因子與法向高度近似成正比關(guān)系。各尺度的平坦因子均與鼓泡塔的法向高度成正比關(guān)系，其最大及最小值均發(fā)生在頂、底部，表明環(huán)流器頂部的兩相湍流脈動(dòng)強(qiáng)烈，氣液兩相混合較均勻，不同尺度的結(jié)構(gòu)都獲得較充分發(fā)展，同時(shí)氣泡的上升作用使兩相流動(dòng)的非線性作用增強(qiáng)，氣液兩相流湍流結(jié)構(gòu)隨尺度演化，從而導(dǎo)致平坦因子與法向高度變化成正比關(guān)系。

隨直徑方向離開噴嘴中心，r/R=0.2及r/R=0.5位置，平坦因子分布變化不規(guī)律，表明在鼓泡塔底部，中心外的徑向位置不具有典型的氣泡結(jié)構(gòu)。噴嘴中心噴射出的氣泡沒(méi)有對(duì)周圍的徑向產(chǎn)生影響，屬于典型的氣液兩相流，其影響主要來(lái)自于反應(yīng)器頂部的兩相流。

圖4為qg=0.15 L/min時(shí)，不同法向位置平坦因子隨徑向變化的分布規(guī)律，其他進(jìn)氣流量下，平坦因子分布規(guī)律相似。由圖4可知，平坦因子與徑向距離成正比關(guān)系，隨著遠(yuǎn)離環(huán)形反應(yīng)器中心位置，氣液兩相流的典型湍流脈動(dòng)特征增強(qiáng)。氣泡結(jié)構(gòu)變化與徑向距離成反比關(guān)系，表明隨徑向遠(yuǎn)離中心位置氣液湍流獲得充分發(fā)展。

圖4 平坦因子隨徑向位置的分布規(guī)律Fig.4 Distribution of flatness factor across radial direction

圖5為r/R=0位置，平坦因子在不同法向位置上隨進(jìn)氣量變化的分布規(guī)律。只取r/R=0位置是因?yàn)樵谄渌麖较蛭恢?，平坦因子隨進(jìn)氣量變化差異不大。由圖5可知，在鼓泡塔底部y/L=0.2處平坦因子與進(jìn)氣量變化成正比關(guān)系，隨法向位置提高，平坦因子隨進(jìn)氣量變化無(wú)明顯差異，說(shuō)明反應(yīng)器頂部的兩相流已獲得充分發(fā)展。

圖5 平坦因子隨進(jìn)氣量變化的分布規(guī)律Fig.5 Distribution of flatness factor across admission flow discharge

圖6為氣泡結(jié)構(gòu)的條件相位平均波形。由圖6可知，隨著徑向逐漸遠(yuǎn)離中心，波形變化逐漸平坦，表明了氣液兩相的速度逐漸接近。這不難理解，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也可以看出，氣泡產(chǎn)生于噴嘴出口處，氣泡噴出同時(shí)氣液兩相流動(dòng)沒(méi)有獲得充分發(fā)展，隨著氣泡遠(yuǎn)離噴嘴，兩相流速度上的差異明顯減小，兩相獲得充分混合并形成充分發(fā)展兩相流動(dòng)，此時(shí)氣泡結(jié)構(gòu)不具備有典型氣泡特征。法向高度與氣泡流動(dòng)的變化強(qiáng)度成反比，兩相速度逐漸接近的同時(shí)平均速度加大，氣液兩相流動(dòng)獲得充分發(fā)展。反應(yīng)器上下兩端氣泡結(jié)構(gòu)不明顯，并且上下兩端的平均速度不同，從而形成了反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。

圖6 相位平均波形隨法向位置分布規(guī)律Fig.6 Distribution of phase-averaged waveform across normal direction

圖7為在不同徑向位置處，氣泡結(jié)構(gòu)的條件相位平均值在不同法向方向上隨進(jìn)氣量的變化規(guī)律。隨法向高度增加，不同進(jìn)氣量時(shí)氣泡結(jié)構(gòu)的相位平均波形變化趨勢(shì)相接近，氣泡結(jié)構(gòu)明顯。同一徑向位置，相位平均波形隨法向變化差異不明顯。同一法相位置隨徑向位置遠(yuǎn)離噴口中心，氣泡結(jié)構(gòu)逐漸變?nèi)?，兩相速度接近，無(wú)明顯差異，說(shuō)明遠(yuǎn)離噴口中心位置，噴口氣泡對(duì)氣液兩相湍流影響較小，波形變得平坦。

圖7 不同法向位置相位平均波形隨進(jìn)氣量的分布規(guī)律Fig.7 Distribution of phase-averaged waveform in different normal positions across admission flow discharge

4 結(jié)論

利用熱膜風(fēng)速儀，在不同進(jìn)氣量、不同空間位置，測(cè)量鼓泡塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的瞬時(shí)時(shí)間序列速度信號(hào)。采用子波系數(shù)檢測(cè)兩相流的平坦因子和瞬時(shí)強(qiáng)度因子，以單氣泡結(jié)構(gòu)條件相位的平均波形為基礎(chǔ)，對(duì)鼓泡塔內(nèi)氣液流動(dòng)中氣泡結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)論如下:

(1)鼓泡塔中的氣泡結(jié)構(gòu)是兩相湍流產(chǎn)生奇異性和間歇性的誘因。恒溫?zé)崮y(cè)速儀及子波分析方法，可用于鼓泡塔內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)的測(cè)量，以及氣液兩相流動(dòng)多尺度相干結(jié)構(gòu)的條件相位平均波形和間歇性的研究。

(2)在遠(yuǎn)離噴嘴出口的徑向位置和法向位置，氣液兩相流的平坦因子增大，氣液兩相湍流得到充分的發(fā)展。氣流量的增大只對(duì)靠近噴嘴的底部沿徑向側(cè)向的平坦因子產(chǎn)生影響。

圖8 不同法向位置相位平均波形隨徑向位置的分布規(guī)律Fig.8 Distribution of phase-averaged waveform in different normal positions across radial direction

(3)在噴嘴的不同法向位置，氣泡結(jié)構(gòu)的時(shí)間尺度及動(dòng)力學(xué)演變過(guò)程不同。從不同法向位置氣泡結(jié)構(gòu)的條件相位平均波形隨徑向位置的分布規(guī)律可知，噴嘴出口區(qū)域的一定噴射錐角度范圍內(nèi)，才具有氣泡結(jié)構(gòu)，該區(qū)域內(nèi)有利于兩相的混合及化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

［1］余振蘇，蘇衛(wèi)東.湍流中的層次結(jié)構(gòu)和標(biāo)度律［J］.力學(xué)進(jìn)展，1999，29(3):289－303.

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Multi-scale coherent structures and intermittency in-gas-liquid two-phase turbulent flow

CHEN Wenyi1，2， GUO Shasha1，2， JIANG Nan3
(1.Department of Process Equipment＆ Control Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;2.Research Center of Engineering Fluid ＆ Process Enhancement，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;3.Department of Mechanics，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

This paper is concerned with the fine measurement of the instantaneous velocity time sequence of gas-liquid two-phase turbulent flow at different spatial locations in a reflux reactor by the constant-temperature hot-film anemometer.The paper describes development of a conditional sampling technique using instantaneous intensity factor and flatness factor of wavelet coefficients to discriminate the multi-scale coherent structures in gas-liquid two-phase turbulent flow and introduces the use of the method based on the phase-averaged waveforms of the structure of the single bubble to the study about gas-liquid two-phase turbulent flow in the bubble column.The results show that the bubble structure in the bubble column results in occurrence of singularity and intermittency in the gas-liquid two-phase turbulent flow.Only within the certain spray cone angle are some bubble structures found，and affected by the corresponding flat factor and intermittency.

gas-liquid two-phase turbulence flow;condition phase-averaged waveform;intermittency;flatness factor

O357

A

1671－0118(2012)04－0387－06

2012－06－28

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2012202109);石家莊科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展項(xiàng)目(11108271A)

陳廣義(1963－)，男，吉林省扶余人，教授，博士，研究方向:液體力學(xué)、化工過(guò)程強(qiáng)化及設(shè)備優(yōu)化，E-mail:cwy63@126.com。

(編輯 徐 巖)