基于高速圖像采集的管束間氣液兩相繞流旋渦特性研究

洪文鵬, 劉 燕, 周云龍

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林132012)

在動(dòng)力工程、石油化工和核能利用等領(lǐng)域廣泛存在著氣液兩相流體繞流管束的現(xiàn)象,如凝汽器、加熱器及核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器等管殼式換熱設(shè)備[1-2].在一定條件下,氣液兩相流在柱體后部形成交替脫落的旋渦,并誘發(fā)柱體受到交變力的作用,由此產(chǎn)生的損傷不僅威脅設(shè)備的安全運(yùn)行,而且會(huì)大大縮短工業(yè)設(shè)備的使用壽命[3-5].隨著動(dòng)力、原子能工業(yè)的飛速發(fā)展,大容量高參數(shù)設(shè)備的引入,促使設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊,因此對(duì)換熱器的綜合性能提出了更高的要求.此類問(wèn)題已經(jīng)成為多相流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究課題.

目前,國(guó)內(nèi)外有關(guān)科研人員對(duì)氣液兩相流體橫向繞流平行三角形、旋轉(zhuǎn)正方形及正三角形等錯(cuò)列布置型式管束的旋渦脫落特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[6-8].然而,由于測(cè)試技術(shù)的局限,其中大部分的試驗(yàn)研究主要集中在對(duì)升力系數(shù)和阻力系數(shù)等的測(cè)量,而對(duì)氣液兩相流體沖刷管束旋渦脫落演化特性的研究相對(duì)較少,并且一些對(duì)瞬態(tài)流場(chǎng)顯示的新技術(shù)在氣液兩相流的應(yīng)用上還不太成熟,其旋渦特征的表現(xiàn)大多還依賴于數(shù)值模擬的結(jié)果.筆者采用高速數(shù)字圖像采集方法拍攝了流型為細(xì)泡狀流的氣、液兩相流體垂直向上沖刷3節(jié)距比(S/d=1.0、1.5和2.0)錯(cuò)列管束的旋渦脫落流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)圖像,重建了旋渦形成和演化的過(guò)程,并運(yùn)用時(shí)間序列圖像相關(guān)性對(duì)比分析了旋渦脫落的周期特征.

1 試驗(yàn)裝置

圖1為氣液兩相流系統(tǒng)與高速圖像采集裝置示意圖.圖像采集系統(tǒng)由高速動(dòng)態(tài)分析儀、光源和計(jì)算機(jī)組成.高速動(dòng)態(tài)分析儀采用瑞士Weinberger公司的Speed cam visario高速攝影系統(tǒng),其間歇式電子快門(mén)速度可達(dá)15μs,最大分辨率為1 536×1 024像素,對(duì)應(yīng)的拍攝速度為1 000 fps,最高拍攝速度可達(dá)到10 000 fps.通過(guò)高速動(dòng)態(tài)分析儀可以捕捉到尾流中清晰的瞬態(tài)流動(dòng)狀況.光源采用6 400 K色溫的三基色光管,用于提供拍攝時(shí)所需要的光照亮度,計(jì)算機(jī)用于儲(chǔ)存拍攝下來(lái)的圖像資料.

圖1 氣液兩相流系統(tǒng)與高速圖像采集裝置示意圖Fig.1 Schematic of gas-liquid two-phase flow system and high-speed imaging installation

圖2為試驗(yàn)段管束布置圖.試驗(yàn)段由10 mm厚的有機(jī)玻璃制成,截面為180 mm×65 mm的矩形通道,圓柱直徑為20 mm,采用旋轉(zhuǎn)正方形布置.

在圖像采集過(guò)程中,由于液體和氣體均是透明的,因此采用逆光照明拍攝氣泡的陰影.為了使光線分布均勻,在試驗(yàn)段的后側(cè)蒙上兩層繪圖用的硫酸紙可獲得滿意的拍攝圖像.由于試驗(yàn)管段內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定,因此需要較高的拍攝速度,本文中所采用的拍攝速度為1 000 fps.為了在獲得圖像處理所需要的高質(zhì)量圖片的同時(shí)又能考慮到高速動(dòng)態(tài)分析儀的實(shí)際存儲(chǔ)空間,采用的分辨率為768×512像素.

圖2 試驗(yàn)段管束布置圖Fig.2 Lay out of tube bundles in test section

試驗(yàn)條件:液相折算速度J L為0.19 m/s和0.27 m/s,含氣率α的范圍為0.01～0.15.

2 結(jié)果與分析

2.1 旋渦形成和演化過(guò)程分析

根據(jù)對(duì)單相流體的研究,當(dāng)流體繞流過(guò)非線性物體時(shí)會(huì)在物體的后面形成旋渦,其主要的能量損失是由旋渦引起的,在靠近旋渦的地方貯存著許多能量,旋渦的中心是一個(gè)低壓區(qū),旋渦的內(nèi)外形成較大的壓力梯度[9].在兩相流中,由于加入了氣泡,質(zhì)量較輕的氣泡在旋渦的形成與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就會(huì)不斷地被吸入到旋渦的中心,并在旋渦的中心進(jìn)行聚集和融合,所以旋渦中心的含氣量比旋渦外大得多.

采用高速數(shù)字圖像采集裝置可清晰地記錄各個(gè)試驗(yàn)工況下的旋渦形成和演化的動(dòng)態(tài)過(guò)程.圖3為旋渦形成和氣泡卷吸的演變過(guò)程.在圖3中,節(jié)距比S/d=1.0,雷諾數(shù)為2.82×104,含氣率為0.074,圖中的陰影部分為氣泡.

圖3(a)反映的是在前一個(gè)旋渦卷吸氣泡完畢并開(kāi)始向后運(yùn)動(dòng),下一個(gè)旋渦剛剛開(kāi)始時(shí)的狀況.此時(shí),旋渦中心是一個(gè)低壓區(qū),兩相流中較小的氣泡被吸入,在管束后排圓柱的后面形成了小的氣核.圖3(b)顯示:后排圓柱后面的氣核在逐漸增大,被吸入的氣泡增多,導(dǎo)致旋渦的能量降低,旋渦的穩(wěn)定性減弱,此時(shí)的旋渦還在生長(zhǎng)過(guò)程中,由視頻畫(huà)面顯示的旋轉(zhuǎn)特性還不明顯.圖3(c)和圖3(d)顯示了在旋渦不斷生長(zhǎng)過(guò)程中,旋渦周?chē)臍馀莩省拜棗l狀”被卷吸入旋渦中心并在中心不斷地聚合,使得中心含氣率增大,主流紊流強(qiáng)度增加,導(dǎo)致能量低、不穩(wěn)定的旋渦加速了對(duì)氣泡的卷吸,這使旋渦中心的氣核也不斷變大.圖3(e)反映了隨著卷吸氣泡的增多,過(guò)多的氣泡卷入形成氣袋,導(dǎo)致旋渦內(nèi)、外壓力梯度變小,加速了旋渦的脫落,此時(shí)的不穩(wěn)定旋渦使氣袋分裂,卷吸能力減弱,并發(fā)現(xiàn)“輻條狀”卷吸現(xiàn)象逐漸不明顯.從圖3(f)可以看到氣核周?chē)摹拜棗l狀”卷吸現(xiàn)象已經(jīng)完全消失,氣核開(kāi)始向后運(yùn)動(dòng),說(shuō)明一個(gè)旋渦的生長(zhǎng)、發(fā)展與脫落過(guò)程已經(jīng)完成.整個(gè)旋渦的過(guò)程經(jīng)歷了234幀圖像,用時(shí)為0.234 s.

圖3 旋渦形成和氣泡卷吸的演化過(guò)程Fig.3 The evolution process of vortex generation and bubble entrainment

由拍攝的視頻發(fā)現(xiàn):在上述旋渦形成和脫落過(guò)程中,主要是圓柱右側(cè)的氣泡被吸入旋渦中心形成氣核,左側(cè)的氣泡相對(duì)較少.對(duì)于旋渦脫落一個(gè)周期來(lái)說(shuō),應(yīng)該是左、右各脫落一個(gè)旋渦又重新回復(fù)到圖3(a)所示的狀態(tài),所以旋渦脫落的周期為0.468 s.筆者對(duì)每個(gè)工況下的旋渦脫落周期均統(tǒng)計(jì)了5次,相對(duì)誤差不超過(guò)2%.

2.2 旋渦脫落的頻率分析

通過(guò)對(duì)拍攝的視頻中旋渦脫落一個(gè)周期所經(jīng)過(guò)的圖片的幅數(shù)和兩幅圖像間的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì),可以得到旋渦脫落一個(gè)周期所用的時(shí)間.對(duì)每個(gè)旋渦周期進(jìn)行5次統(tǒng)計(jì),并采用取均值的方式最終確定旋渦脫落的周期,進(jìn)而得出旋渦脫落的頻率.圖4為3種不同節(jié)距比時(shí)的旋渦頻率隨含氣率的變化.從圖4可知:在JL=0.27 m/s和JL=0.19 m/s 2種折算液速時(shí),旋渦脫落頻率均隨截面含氣率的增加而增大,這主要是由于氣泡的引入對(duì)圓柱表面的邊界層產(chǎn)生干擾,使邊界層變得不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致邊界層更易于分離,旋渦易于脫落,加快了旋渦脫落的速度.隨著含氣率的增加,氣泡對(duì)邊界層的干擾程度增大,并且隨著來(lái)流含氣率的增加,流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度增大,旋渦更容易從柱體上脫落.

圖4 3種不同節(jié)距比時(shí)旋渦頻率隨含氣率的變化Fig.4 Vortex frequency vs.void fraction at three different ratios of pitch to diameter

圖5 為在折射液速JL=0.27 m/s的工況下,不同節(jié)距比時(shí)旋渦脫落頻率的比較.從圖5可知:在一定的折算液速時(shí),節(jié)距比對(duì)旋渦脫落頻率有較大影響.隨著節(jié)距比的增大,旋渦脫落頻率不斷增大.在同一節(jié)距比時(shí),旋渦脫落頻率隨著截面含氣率的增加而增大,其主要原因是:在小節(jié)距比時(shí),管束間的干擾作用增強(qiáng),上游圓柱的自由剪切層延伸到了下游圓柱,并對(duì)下游圓柱形成包裹,抑制了下游圓柱旋渦的形成和脫落;相反,當(dāng)節(jié)距比增大時(shí),上游圓柱的自由剪切層對(duì)下游圓柱的影響作用減弱,旋渦能正常地生成和脫落.本文試驗(yàn)的節(jié)距比較小,因此在此范圍內(nèi)對(duì)旋渦脫落頻率的影響較大.

對(duì)于節(jié)距比較大(S/d=2.0)的管束,旋渦頻率隨含氣率增加變化幅度較大,當(dāng)節(jié)距比較小(S/d=1.0)時(shí),旋渦頻率增加的幅度小,其主要原因是:當(dāng)節(jié)距比小時(shí),管束間流動(dòng)處于縫隙流動(dòng)狀態(tài),由于繞流產(chǎn)生的較大的壓力梯度使大量密度小的氣泡被卷入縫隙中,在一定條件下會(huì)出現(xiàn)“氣囊”現(xiàn)象(在試驗(yàn)中也觀察到了這種現(xiàn)象),這種現(xiàn)象的存在對(duì)管束的流動(dòng)和傳熱特性產(chǎn)生不利影響,是工程設(shè)計(jì)中不能忽略的問(wèn)題.

圖5 不同節(jié)距比時(shí)旋渦脫落頻率的比較Fig.5 Comparison of vortex shedding frequency at different ratios of pitch to diameter

圖6 為不同節(jié)距比時(shí)旋渦脫落頻率隨Re的變化.從圖6可看出:在本文試驗(yàn)范圍內(nèi),在不同節(jié)距比的錯(cuò)列管束中,Re對(duì)旋渦脫落頻率均有較大影響,隨著Re的增加,旋渦脫落頻率逐漸增大.

圖6 不同節(jié)距比時(shí)旋渦脫落頻率隨Re的變化Fig.6 Vortex shedding frequency vs.Reynolds number at different ratiosof pitch to diameter

通過(guò)比較圖6中的曲線可以看出:在低Re區(qū)域(Re＜1.5×104)、小節(jié)距比(S/d=1.0)時(shí),旋渦脫落的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大節(jié)距比(S/d=1.5和2.0)的頻率,相差近50%;而在S/d=1.5和S/d=2.0兩種節(jié)距比時(shí),旋渦脫落頻率值接近.在1.5×104＜Re＜2.9×104內(nèi),隨著Re的增加,小節(jié)距比(S/d=1.0)管束的旋渦脫落頻率比大節(jié)距比(S/d=1.5和2.0)時(shí)增加的幅度小;而在S/d=1.5和S/d=2.0兩種節(jié)距比下的旋渦脫落頻率隨Re增加的幅度趨于一致.其主要原因是:①在小節(jié)距比(S/d=1.0)時(shí),各相鄰圓柱旋渦的形成和脫落相互影響,并伴隨有氣泡在管束縫隙間的積聚,充分抑制了旋渦的脫落,導(dǎo)致旋渦脫落頻率顯著降低,這種現(xiàn)象在低Re時(shí)更為突出;②在大節(jié)距比(S/d=1.5、2.0)時(shí),相鄰圓柱旋渦相互影響減弱,管束縫隙間不會(huì)出現(xiàn)氣泡積聚現(xiàn)象,而是以小氣泡形式分布于管束中.在低Re時(shí),旋渦脫離的能量不僅來(lái)自于流體自身,氣泡的擾動(dòng)也促進(jìn)了旋渦分離,此時(shí)脫落頻率與來(lái)流的截面含氣率有密切關(guān)系.③在1.5×104＜Re＜2.9×104內(nèi),由于小節(jié)距比管束間積聚氣泡的影響,其旋渦脫落頻率比大節(jié)距比時(shí)增加的幅度小.

2.3 兩相斯特羅哈數(shù)的分析

斯特羅哈數(shù)(StTP)是研究流體繞流的一個(gè)重要特征參數(shù),它是反映旋渦脫落特性的相似準(zhǔn)則數(shù).圖7為3種不同節(jié)距比時(shí)StTP隨截面含氣率的變化.從圖7可看到:在本文的試驗(yàn)條件下,錯(cuò)列管束的St TP隨著含氣率α的增加呈逐漸下降的趨勢(shì),與旋渦脫落頻率的變化趨勢(shì)相反.

圖7 3種不同節(jié)距比時(shí)St TP隨截面含氣率的變化Fig.7 Strouhal number vs.void fraction at three different ratios of pitch to diameter

圖8 為3種不同節(jié)距比時(shí)StTP的比較.從圖8可知:在折算液速一定、節(jié)距比不同時(shí),StTP有較大差別.隨著節(jié)距比的增加,StTP也是增加的;而在同一節(jié)距比時(shí),StTP隨著截面含氣率α的增加而減小.

圖8 3種不同節(jié)距比時(shí)St TP的比較Fig.8 Comparison of Strouhal number at three different ratios of pitch to diameter

圖9 為不同節(jié)距比時(shí)StTP隨Re變化的曲線.通過(guò)對(duì)比圖9中節(jié)距比S/d=1.0、S/d=1.5和S/d=2.0時(shí)StTP隨Re變化的關(guān)系曲線可以看出:在大節(jié)距比(S/d=1.5、2.0)時(shí),StTP趨于穩(wěn)定值;而在小節(jié)距比(S/d=1.0)時(shí),StTP隨著Re的增加出現(xiàn)波動(dòng).產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:在小節(jié)距比時(shí),在本文試驗(yàn)的截面含氣率條件下,由于縫隙間各圓柱形成的旋渦相互影響,出現(xiàn)氣泡“聚合”現(xiàn)象,使兩相繞流管束的流型發(fā)生了變化,引起StTP出現(xiàn)波動(dòng).

圖9 不同節(jié)距比時(shí)St TP隨Re的變化Fig.9 Strouhal number vs.Reynolds number at different ratios of pitch to diameter

3 結(jié) 論

(1)在本文試驗(yàn)的2種折算液速(JL=0.27 m/s、JL=0.19 m/s)下,旋渦脫落頻率隨著截面含氣率α的增加而增大;在一定的折算液速下,節(jié)距比S/d對(duì)旋渦脫落頻率有較大影響,隨著S/d的增大,旋渦脫落頻率不斷增大.

(2)在不同節(jié)距比時(shí),截面含氣率α對(duì)旋渦脫落頻率的影響不同.對(duì)于大節(jié)距比(S/d=2.0)管束,隨著α增加,旋渦脫落頻率增加的幅度較大,在小節(jié)距比(S/d=1.0)時(shí),旋渦脫落頻率增加幅度較小.

(3)在本文試驗(yàn)的Re范圍內(nèi),在大節(jié)距比(S/d=1.5、2.0)時(shí),兩相StTP趨于穩(wěn)定值,而在小節(jié)距比(S/d=1.0)時(shí),St TP隨Re的增加出現(xiàn)波動(dòng).

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