矩形窄通道中氣液混合物超聲顆粒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析

胡永攀 陶樂(lè)仁 黃理浩 鄭志皋 李慶普

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093）

矩形窄通道中氣液混合物超聲顆粒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析

胡永攀 陶樂(lè)仁 黃理浩 鄭志皋 李慶普

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093）

本文以去離子水為工質(zhì)，將超聲顆粒檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于兩相流傳熱過(guò)程，利用超聲衰減譜法對(duì)垂直矩形窄通道中流動(dòng)沸騰氣液兩相流進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)理論模型和反演算法分別得到質(zhì)量流量2.22 kg／（m2·s）、2.86 kg／（m2·s）和3.49 kg／（m2·s）下的超聲衰減譜及矩形窄通道出口處的氣泡尺寸分布和含氣率（干度）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：一定質(zhì)量流量下，隨著加熱功率的增大，同一超聲頻率下的超聲衰減系數(shù)增大，D50值增大，尺寸分布變寬；同一工況下，隨著質(zhì)量流量的增大，D50值減小，尺寸分布高度增大，帶寬減小；超聲檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的干度較理論值偏大，干度較小時(shí)，偏差較小，比較適用；干度增大，偏差增大，需要適當(dāng)調(diào)整模型。

兩相流；超聲波；含氣率；超聲衰減譜；氣泡尺寸分布

工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展使氣液兩相流的傳熱問(wèn)題在化工、石油、核能、動(dòng)力等領(lǐng)域受到高度關(guān)注。兩相流體混合物在窄通道內(nèi)流動(dòng)，尤其是處于升膜蒸發(fā)時(shí)，氣相顆粒的粒徑及氣相所占百分比對(duì)工業(yè)應(yīng)用的影響極大。超聲波具有穿透能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，非常適合實(shí)時(shí)在線測(cè)量，其較寬頻帶范圍可測(cè)量納米至毫米級(jí)顆粒［1-2］，因此，蘇明旭等［3］引入超聲衰減譜法測(cè)量?jī)上嗔黝w粒的粒徑分布及含氣率大小。在以往的研究工作基礎(chǔ)上［1-2，4］，利用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的 Mcclements D J［5-6］模型，結(jié)合聲散射模型 BLBL模型［7-8］，初步開(kāi)展氣液兩相流的氣體顆粒粒徑分布及含氣率研究，為將來(lái)優(yōu)化超聲顆粒檢測(cè)模型及氣液兩相流機(jī)制的研究打下基礎(chǔ)。

本文在前人設(shè)計(jì)的豎直矩形窄通道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［9］的基礎(chǔ)上，采用超聲顆粒檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)超聲衰減譜，反演得出矩形窄通道出口的顆粒（顆粒為生成的氣泡）粒徑分布和出口含氣率（干度），為將來(lái)進(jìn)一步的深入研究以及氣液分離器的設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 理論模型和反演算法

1.1 M cclements＆BLBL模型

Mcclements D J等［5-6］研究了一些兩相介質(zhì)中的聲波動(dòng)情況，認(rèn)為熱傳導(dǎo)和黏性機(jī)制在實(shí)際情況中非常重要。在經(jīng)典的ECAH模型［10-11］系數(shù)An的序列中，呼劍等［12］認(rèn)為散射系數(shù)的前兩項(xiàng)A0和A1起主導(dǎo)作用，可用復(fù)波數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算公式：

式中：β=ω／（cs（ω））+jαs（ω），為氣液兩相流中的復(fù)波數(shù)；k為連續(xù)介質(zhì)中的波數(shù)；φ為氣泡的體積濃度即含氣率；ω為角頻率；αs和cs分別為聲衰減系數(shù)和聲速，m／s；j為虛數(shù)單位；R為氣泡的尺寸大小。

BLBL（Bouguer-Lambert-Beer-Law）模型從純散射效應(yīng)角度描述不同含氣率的氣液兩相流中的消聲效應(yīng)。從氣液兩相流中無(wú)限薄層的聲強(qiáng)度平衡出發(fā)，得到含氣率的表達(dá)式：

式中：Kext為消聲效率；σ為顆粒尺寸系數(shù)，σ= ωR／c；c為連續(xù)相聲速，m／s。

1.2 反演算法

通過(guò)理論模型構(gòu)建核矩陣M，代入實(shí)測(cè)衰減譜信息B構(gòu)造一個(gè)線性方程組M×X=B。在Ferri F等［13］提出的迭代算法修正式的基礎(chǔ)上，許亞敏等［14］提出了具有如下迭代形式的Chahine算法：

式中：Mi，j為歸一化的權(quán)重因子；X為待求解的氣泡尺寸分布。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與計(jì)算

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，共包括兩部分：氣液兩相流循環(huán)系統(tǒng)和超聲測(cè)量系統(tǒng)。有關(guān)氣液兩相流循環(huán)系統(tǒng)的詳細(xì)介紹可參見(jiàn)文獻(xiàn)［15］。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)主要由超聲換能器、超聲脈沖發(fā)射接收儀、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)組成。

矩形窄通道置于材料為H69，長(zhǎng)750 mm，寬250 mm，厚6 mm的銅板和鋼化玻璃之間，采用6 mm厚的硅膠墊片隔開(kāi)，形成長(zhǎng)度L=720 mm（與加熱長(zhǎng)度一致）、寬度W=250 mm（與加熱寬度一致）和深度H =3.5 mm的通道。為保證最大可能地降低損失，采用絕緣材料對(duì)整個(gè)窄通道外部保溫使其絕熱。

圖1 窄通道出口超聲檢測(cè)顆粒粒徑分布及含氣率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Particle size distribution by exit ultrasound detection and gas rate experiment system in the narrow channel

圖2所示為水浸式縱波超聲換能器。超聲換能器是用于產(chǎn)生和接收超聲的裝置，可實(shí)現(xiàn)聲能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)超聲換能器處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化，與換能器相接觸的介質(zhì)發(fā)生振動(dòng)，向介質(zhì)輻射聲波，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與聲能之間的轉(zhuǎn)化。當(dāng)超聲換能器處于接收狀態(tài)時(shí)，過(guò)程正好相反，換能器先將聲能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，然后再轉(zhuǎn)化為電能。衡量超聲換能器的性能有多個(gè)指標(biāo)。本文主要從工作頻率、帶寬和靈敏度三個(gè)方面選擇購(gòu)買了美國(guó)泛美公司V系列寬帶水浸式超聲換能器，其頻率范圍寬為1～50 MHz，配置了2.5 MHz的橫波探頭。

圖2 水浸式縱波超聲換能器Fig.2 Immersion longitudinal ultrasonic transducer

圖3所示為超聲波脈沖發(fā)射接收儀。超聲換能器發(fā)射和接收超聲波需要一定的激勵(lì)方式，其中常見(jiàn)激勵(lì)方式有連續(xù)波，猝發(fā)波以及脈沖波。為了更好對(duì)高頻寬帶超聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，選擇與換能器相配套的便攜式5073PR超聲脈沖發(fā)生接收儀，其手動(dòng)控制的超聲脈沖發(fā)生器接收器既可用于常規(guī)應(yīng)用，又可用于高頻應(yīng)用。

圖4所示為NI-USB5133數(shù)據(jù)采集卡，可以滿足高頻、大數(shù)據(jù)量超聲信號(hào)的采集需要，其最高采樣頻率可達(dá)100 MS／s，8位A／D，50 MHz帶寬，1 MΩ輸入阻抗，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集和存儲(chǔ)。

圖3 5073PR超聲脈沖發(fā)射接收儀Fig.3 5073PR ultrasonic pu lse receiver

圖4 NI-USB5133數(shù)據(jù)采集卡Fig.4 NI-USB5133 data acquisition card

超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)段主要由前后兩塊石英玻璃、不銹鋼框架及固定裝置組成。實(shí)驗(yàn)段截面尺寸為20 mm ×3 mm，長(zhǎng)90 mm。利用一對(duì)超聲換能器、超聲波脈沖發(fā)射接收儀、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)獲得窄通道出口兩相流氣泡尺寸分布及含氣率。表1所示為實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍Tab.1 The range of experimental parameters

2.2 干度計(jì)算

超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，矩形窄通道出口流體處于氣液兩相區(qū)，理論干度按下式計(jì)算：

式中：hfg為水的蒸發(fā)焓值（不同壓力下略有不同），kJ／kg；q為熱流密度，W／m2；G為質(zhì)量流量，kg／（m2·s）；hin為窄通道進(jìn)口壓力、溫度下的焓值，kJ／kg；hsat為窄通道出口壓力下的飽和液體焓值，kJ／kg。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍

實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變質(zhì)量流量調(diào)節(jié)加熱功率，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定工況，待穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，并且相關(guān)參數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)波動(dòng)后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)聲學(xué)手冊(cè)查得聲速，通過(guò)NIST查得窄通道出口溫度T2和出口壓力p2狀態(tài)時(shí)氣相和液相的密度、聲速、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。同時(shí)，為了便于比較不同質(zhì)量流量之間的氣泡分布尺寸，定義了單位質(zhì)量加熱量 qG（kJ／kg）：

表2列出由不同加熱功率Q，窄通道出口溫度T2，出口絕對(duì)壓力p2，氣液兩相流質(zhì)量流量G和單位質(zhì)量加熱量qG構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)工況（主要根據(jù)出口的溫度和壓力判別）。

3.2 超聲衰減譜

超聲波檢測(cè)系統(tǒng)采用一發(fā)一收的形式，利用高速采集卡采集超聲脈沖發(fā)射接收儀發(fā)射及接收超聲波穿過(guò)介質(zhì)衰減后的超聲波信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后分析超聲波信號(hào)。采用快速傅立葉變換（FFT）處理采集的信號(hào)，獲得某一頻率上的幅值。聲衰減系數(shù)利用純水中所測(cè)量的幅值A(chǔ)0與含有顆粒（氣泡）形成懸濁液后測(cè)量的幅值A(chǔ)1計(jì)算獲得，L1為實(shí)驗(yàn)測(cè)量段的厚度。由下式［16-17］計(jì)算聲衰減系數(shù)α（Np／m）：

表2 各工況的具體參數(shù)Tab.2 The specific parameters of each condition

根據(jù)不同質(zhì)量流量、不同加熱功率得到數(shù)據(jù)，對(duì)衰減曲線做一階指數(shù)衰減擬合，繪制如圖5（a）～（c）所示曲線。可以看出，某一質(zhì)量流量下，同一超聲頻率，隨著加熱功率的增大，超聲衰減系數(shù)也增大，高頻部分的聲衰減更大。

圖5 不同熱流密度下的超聲衰減譜Fig.5 Ultrasonic attenuation spectrum under different flow flux

原因在于，某一質(zhì)量流量下，功率較低時(shí)，流體可能發(fā)生過(guò)冷沸騰，氣泡顆粒產(chǎn)生的數(shù)量較少，主流流體是過(guò)冷的，氣泡的產(chǎn)生會(huì)隨著主流流體冷凝，最后消失，因而聲波的耗散減少，聲衰減信號(hào)較??；而隨著加熱功率的增大，流體達(dá)到飽和狀態(tài)，氣泡的產(chǎn)生、聚合也更加容易，因而單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)目增加，增強(qiáng)了聲波的耗散，聲衰減系數(shù)增大；另一方面氣泡在振動(dòng)形變的過(guò)程中，當(dāng)氣泡的振動(dòng)頻率與超聲波的頻率相等時(shí)，氣泡處于共振狀態(tài)，此時(shí)氣泡聲波衰減最強(qiáng)。氣泡半徑的概率分布決定了衰減系數(shù)，當(dāng)超聲波的頻率與氣泡最大概率半徑所對(duì)應(yīng)的固有頻率相等時(shí)，聲波在其中傳播的聲衰減系數(shù)最大。

圖6 不同熱流密度下的氣泡尺寸分布Fig.6 Bubble size distribution under different flow flux

3.3 氣泡尺寸分布及含氣率（干度）

依據(jù)理論模型和反演算法求解氣泡的尺寸分布，圖6（a）～（c）所示分別為在質(zhì)量流量2.22 kg／（m2·s），2.86 kg／（m2·s）和3.49 kg／（m2·s）時(shí)氣泡尺寸分布隨加熱功率的變化曲線。圖示說(shuō)明：在某一質(zhì)量流量下，隨著加熱功率的增大，氣泡的尺寸分布向較大尺寸方向（自左向右）偏移；隨著加熱功率的增加，氣泡尺寸分布的趨勢(shì)基本不變，但氣泡尺寸分布變得更寬。這是因?yàn)?，隨著加熱功率的增加，流體從過(guò)冷沸騰-氣泡流-合并氣泡流-攪拌流等轉(zhuǎn)變，氣泡的產(chǎn)生、聚合加強(qiáng)，氣泡的尺寸也隨之增大。由于氣泡間的聚合增強(qiáng)，大氣泡所占比例增大，因而氣泡尺寸自左向右偏移。

圖7（a）～（c）所示分別為工況1，工況3和工況5下質(zhì)量流量不同時(shí)的氣泡尺寸分布?？梢钥闯?，在相同工況下，增大質(zhì)量流量，氣泡尺寸分布高度增大，帶寬減小，尺寸分布向較小尺寸方向偏移。

圖7 不同工況下的氣泡尺寸分布Fig.7 Bubble size distribution under different operating conditions

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，質(zhì)量流量越大，其單位質(zhì)量的加熱量qG越小，過(guò)冷液體量增多，抑制氣泡的產(chǎn)生，減弱氣泡之間的聚合，所以占比例最多氣泡的顆粒尺寸減小，氣泡的產(chǎn)生、流型的轉(zhuǎn)變不僅受質(zhì)量流量的影響，也與加熱量大小有關(guān)。

表3所示為超聲法測(cè)量得到的氣泡中位徑（此直徑以下的氣泡占總氣泡的50%）D50?？芍谝欢髁肯?，隨著加熱功率的增加，D50增大，在同一工況下，隨著流量的增大，D50減小。

表3 超聲法測(cè)量的氣泡中位徑D50（mm）Tab.3 Bubble D50（mm）by ultrasonic particle detection system

通過(guò)公式（2）得到在測(cè)量區(qū)域內(nèi)的氣液兩相流的含氣率，并與理論干度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，利用超聲檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的干度值較理論值偏大，但趨勢(shì)隨著熱流密度逐漸增大與理論值一致；熱流密度較小時(shí)，偏差較小，增大熱流密度，偏差亦增大。這可能是由于：1）相對(duì)測(cè)量段尺寸，超聲檢測(cè)探頭較小，未能將整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量段覆蓋，導(dǎo)致所測(cè)得的干度值較理論值偏高；2）由于首次在制冷系統(tǒng)中使用超聲顆粒檢測(cè)裝置，而超聲檢測(cè)模型在氣泡-合并氣泡流階段應(yīng)用較廣，干度較小時(shí)，測(cè)量值與理論計(jì)算值偏差相對(duì)較小，較為適用，但干度增大，偏差亦增大，此時(shí)須適當(dāng)調(diào)整模型。

4 結(jié)論

本文引入超聲顆粒檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量窄通道出口粒徑分布及含氣率，將聲學(xué)與氣液兩相流相結(jié)合，可以得出以下結(jié)論：

1）在一定質(zhì)量流量下，隨著加熱功率的增大，同一超聲頻率下的超聲衰減系數(shù)增大，高頻部分的聲衰減更大；氣泡尺寸分布變寬，且向較大尺寸方向偏移，D50值增大，但氣泡尺寸分布的趨勢(shì)線基本不變。

2）同一工況下，隨著質(zhì)量流量的增大，氣泡尺寸分布高度增大，帶寬減小，尺寸分布向較小尺寸方向偏移，D50值減小。

3）超聲檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的干度較理論值偏大，熱流密度較小時(shí)，偏差較小，增大熱流密度，偏差亦增大，但趨勢(shì)隨著熱流密度的增大與理論值一致。

圖8 超聲檢測(cè)值與理論干度比較Fig.8 The comparison of ultrasonic testing value and theory of dry degree

本文受上海市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目 （1N-15-301-101）資助。（The project was supported by the Key Laboratory Project of Shanghai（No.1N-15-301-101）.）

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About the corresponding author

Hu Yongpan，male，Ph.D.，candidate，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，+86 18301929227，E-mail：huyongpan8＠126.com. Research fields：the research of heat transfer performance in narrow rectangular channel.

Experiment and Analysis for Utrasonic Particle Detection of Liquid-vapor Mixture in Narrow Rectangular Channel

Hu Yongpan Tao Leren Huang Lihao Zheng Zhigao Li Qingpu

（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

With deionized water as working fluid，ultrasonic particle detection system is applied to two-phase heat transfer process.The ultrasonic attenuation spectrum method is used to measure flow boiling in vertical narrow rectangular channel.The ultrasonic attenuation spectrum，the bubble size distribution and export rate of gas（dryness）under different mass flux of 2.22 kg／（m2·s），2.86 kg／（m2·s）and 3.49 kg／（m2·s）in the narrow rectangular are obtained by theoretical model and inversion algorithm，respectively.The experiment results show that when the mass flow rate is constant，with an increase of the heating power，ultrasonic attenuation coefficient will increase under the same ultrasonic frequency，the value of D50 will increase and the distribution of dimensions will broaden.Under the same operating conditions，with an increase of the mass flow rate，the value of D50 will decrease and the distribution of dimensions will heighten and narrow.The degree of dryness measured by ultrasonic testing system is higher than the theoretical value，and the measurement are closed to the theoretical values when the dryness is small.The error increases when the dryness increases and the theoretical model should be adjusted in this case.

two-phase flow；ultrasonic；dryness；ultrasonic attenuation spectrum；bubble size distribution

TB553；TK124

A

0253-4339（2016）06-0085-07

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.085

簡(jiǎn)介

胡永攀，男，博士研究生，上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，18301929227，E-mail：huyongpan8＠126.com。研究方向：矩形微通道內(nèi)換熱性能研究。

2016年12月19日