垂直上升管道內(nèi)氣液兩相細泡流渦街特性的數(shù)值仿真

孫宏軍，劉 暢

(1. 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072；2. 北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

氣液兩相流廣泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中，流過繞流物體時，一定條件下會產(chǎn)生漩渦，并引起振動．工業(yè)設(shè)備中，氣液兩相流鈍體繞流產(chǎn)生的振動一方面具有破壞性[1]，另一方面隱含著流動信息．因此，充分認(rèn)識氣液兩相流鈍體繞流的規(guī)律和流場分布特性，并通過電學(xué)手段表征，可以為工業(yè)設(shè)備的抗振設(shè)計以及氣液兩相流體的流動參數(shù)測量提供理論依據(jù)．Hulin 等[2]和林宗虎等[3]通過實驗研究了氣液兩相流鈍體繞流的一些特性．文獻[2]得出當(dāng)來流含氣率小于10%時渦街是穩(wěn)定的結(jié)論，文獻[3]在垂直上升和垂直下降2 個流向分析了漩渦脫落特性．但氣液兩相流流場復(fù)雜，真實流動狀態(tài)不易檢測，通過實驗無法研究流場各個位置上的基本物理量(速度、壓力、溫度、組分等)的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況；因此，利用數(shù)值仿真計算模擬真實條件，可以克服實驗研究的不便，探究流場的動態(tài)過程，并在數(shù)值模擬和實流實驗之間建立更緊密的互證關(guān)系，為氣液兩相流的測量提供更深入的借鑒依據(jù)和有力支撐．

筆者在50,mm 垂直上升管道內(nèi)，利用Fluent 軟件仿真，并通過實驗研究了氣液兩相細泡流繞漩渦發(fā)生體流動發(fā)生氣液兩相渦街的一些現(xiàn)象．實驗表明，截面含氣率在小于10%時渦街是穩(wěn)定的[4]，因此筆者分析了截面含氣率在0～8%變化時對脈動升力以及漩渦脫落的影響．將計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真結(jié)果與實驗比較，最大誤差小于8%，平均誤差小于4%．

1 建模與數(shù)值仿真

1.1 模型的選擇與建立

考慮到在水平管段，氣液兩相流在運動過程中極易出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，渦街流量計檢測到的很多都是純水的信息，失真太大；而在垂直上升管道內(nèi)，氣液兩相流在重力和浮力等作用下，相對混合比較均勻，檢測效果也很好，所以選擇豎直管段為實驗管段，直徑D＝50,mm，仿真時建模也按該尺寸建立豎直管段．

從實際出發(fā)，渦街流量計需要有前后直管段來保證漩渦分離的穩(wěn)定性，因此在建立仿真模型時，選取30D長的管道，前直管段處為181,mm，梯形柱漩渦發(fā)生體為19,mm，后直管段為400,mm．所選梯形柱漩渦發(fā)生體的尺寸為單相流產(chǎn)生穩(wěn)定渦街的典型尺寸，即迎流面與管徑比為0.28．由于二維數(shù)值仿真中省略了漩渦的拉伸彎扭項，忽略了邊界層條件，造成了二維仿真結(jié)果與真實的三維流場存在較大差異，且漩渦自身還有三維的特性，因此，選擇建立三維模型[5]．管內(nèi)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格六面體剖面，邊界層與漩渦發(fā)生體梯形柱采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格四面體剖面，并進行光順處理，如圖1 所示．

圖1 模型全景Fig.1 Model panorama

1.2 純水仿真與可靠性分析

為檢驗?zāi)Ｐ偷目煽啃裕鶕?jù)純水在管道中流動的情況分別進行數(shù)值仿真和實流實驗．由于在單相流中渦街流量計的信號最強處為漩渦發(fā)生體后的1.5倍管徑處[6-8]，因此選擇該點檢測出的仿真頻率值與實驗進行分析比對，如圖2 所示．

圖2 純水仿真結(jié)果與實驗結(jié)果比對Fig.2 Comparison between simulation and experimental result in pure water

由圖2 可見，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果相比，最大誤差小于7%，平均誤差小于5%，表明模型對流場的模擬結(jié)果可信．利用這個結(jié)果，再加入氣相，可以進行氣液兩相流的數(shù)值仿真．

1.3 氣液兩相流的仿真

仿真條件如表1 所示．仿真時，在速度入口處先根據(jù)預(yù)定流量設(shè)定流速．開始只計算第1 相水相，待出口與入口的流量一致或差值足夠小時，即收斂結(jié)果比較好時，添加第2 相氣相繼續(xù)計算[9]．共完成了5 組不同流量下(6,m3/h、7,m3/h、8,m3/h、9,m3/h和10,m3/h)不同截面含氣率α(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%)的數(shù)值仿真．與純水仿真時一樣，在漩渦發(fā)生體后1.5 倍管徑處檢測仿真頻率，結(jié)果如圖3 所示．

表1 仿真條件Tab.1 Simulation conditions

圖3 不同截面含氣率下仿真渦街信號頻率變化Fig.3 Frequency change of simulation signal in different void fractions

由于固定水流量時，不同截面含氣率下變化曲線變化趨勢存在共性，因此僅分析水流量為6,m3/h 時不同截面含氣率(0、2%、4%和6%)下的仿真脈動升力(圖4)和仿真脈動升力功率譜密度(power spectral density，PSD)(圖5)．

圖4 水流量為6,m3/h時不同截面含氣率下仿真脈動升力Fig.4 Simulation fluctuating lift in different void fractions when flow rate is 6,m3/h

圖5 水流量為6,m3/h 時不同截面含氣率下仿真脈動升力功率譜密度Fig.5 Simulation power spectral density of fluctuating lift in Fig.5 different void fractions when the flow rate is 6,m3/h

可見，隨著含氣率上升，脈動升力的周期性被破壞得更為嚴(yán)重，隨機性增強[10]，且脈動升力的幅值逐漸減小．脈動升力功率譜存在尖峰，表明有漩渦自梯形柱漩渦發(fā)生體交替脫落；尖峰峰值逐漸減小，而峰值對應(yīng)頻率逐漸升高，表現(xiàn)為隨機振動中疊加了1 個周期性波動，這種周期性隨截面含氣率的增加而減弱.

2 實驗系統(tǒng)及兩相渦街的檢測

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗條件見表2，實驗工質(zhì)由已測定流量的水和空氣分別送入混合器形成混合物后送入實驗管段，其實驗在天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院油氣水三相流綜合實驗裝置上完成，實驗裝置如圖6 所示．實驗所用的渦街流量計為工業(yè)現(xiàn)場實用的壓電式渦街流量計．內(nèi)徑D＝50,mm，渦街流量計安裝在垂直上升測量管路上，其前后直管段分別為25D和30D．

表2 實驗條件Tab.2 Experimental conditions

圖6 多相流測量裝置示意Fig.6 Sketch of multi-phase measuring devices

2.2 兩相渦街的檢測

實驗中利用如圖7 所示渦街信號采集系統(tǒng)，將渦街流量傳感器探頭輸出的信號經(jīng)電荷放大器、低通濾波器、NI-6009 數(shù)據(jù)采集卡，輸入計算機存儲．

圖7 渦街信號采集系統(tǒng)Fig.7 Vortex signal acquisition system

為了與數(shù)值仿真相比對，共完成了5 組不同流量下(6,m3/h、7,m3/h、8,m3/h、9,m3/h 和10,m3/h)不同截面含氣率(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%)的實流實驗，實驗頻率如圖8 所示．

圖8 不同截面含氣率下實驗渦街信號頻率變化Fig.8 Frequency change of experimental signal in different Fig.8 void fractions

實驗分析方法與數(shù)值仿真相同，在水流量為6,m3/h 時對不同截面含氣率(0、2%、4%和6%)下的脈動升力(圖9)和脈動升力功率譜密度(圖10)進行分析．

圖9 水流量為6,m3/h時不同截面含氣率下實驗脈動升力Fig.9 Experimental fluctuating lift in different void fractions when flow rate is 6,m3/h

圖10 水流量為6,m3/h時不同截面含氣率下實驗脈動升力功圖10 率譜密度Fig.10 Experimental power spectral density of fluctuating lift in different void fractions when flow rate is 6,m3/h

可見，截面含氣率的上升，嚴(yán)重破壞了脈動升力的周期性，增強了隨機性，減小了振動幅值，脈動升力功率譜的尖峰表明尾流中存在穩(wěn)定的渦街，尖峰峰值逐漸減小，峰值對應(yīng)頻率逐漸升高，同樣表現(xiàn)為在隨機振動中疊加了一個周期性隨截面含氣率增加而減弱的波動．

3 仿真與實驗結(jié)果的對比與分析

將水流量為6 m3/h 的仿真數(shù)據(jù)與實流實驗數(shù)據(jù)對比，如圖11 所示，最大誤差低于8%，平均誤差低于4%，表明仿真結(jié)果非常貼近實際，在壓力、速度等物理量上反映了真實流場的物理特性．

圖11 水流量為6,m3/h的仿真數(shù)據(jù)與實流實驗數(shù)據(jù)比較Fig.11 Comparison between simulation and experiment result when flow rate is 6,m3/h

單相流實驗指出[4]，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù)Sr是一個常量，流量qv與穩(wěn)定的漩渦脫落頻率f 的關(guān)系為

式中：d為漩渦發(fā)生體特征寬度；D為管徑；m為發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積之和與測量管的橫截面積之比．

實驗中，單相流純水 Sr = 0.16，為常數(shù)．與單相流純水的數(shù)值相比，氣液兩相流同一流量下的Sr隨截面含氣率的變化而變化，說明氣液兩相流鈍體繞流產(chǎn)生的漩渦中存在一定隨機性，如圖12 所示．

圖12 氣液兩相流中截面含氣率對斯特勞哈爾數(shù)的影響Fig.12 Impact of void fraction on Sr in gas-liquid two phase flow

在相同的截面含氣率、不同水流量下Sr的變化情況如圖13 所示．增多，振動的隨機性增強，嚴(yán)重破壞了周期性．脫落的漩渦由于其中心吸入了氣泡，使漩渦的能量比單相流中低，由此氣液兩相流中由漩渦脫落引起的脈動升力比單相流時小，且隨含氣率增加而減?。?/p>

圖13 相同截面含氣率不同水流量下的斯特勞哈爾數(shù)變化情況Fig.13 Changes in Sr in the same void fraction under different water flows

可見，與純水相比較，在相同截面含氣率、不同水流量下，Sr波動更為明顯，進一步說明了氣液兩相流鈍體繞流產(chǎn)生的漩渦中存在一定隨機性．

這種隨機性是由氣液兩相細泡流中密度比水小很多的小氣泡在壓力梯度的作用下不斷撞擊梯形柱漩渦發(fā)生體引起的．隨截面含氣率的增加，氣泡數(shù)量

與單相流純水的數(shù)據(jù)相比，隨著截面含氣率的增加，升力功率譜的尖峰峰值減小，同樣表明在柱體之前氣泡的移動隨機性增強；而峰值對應(yīng)頻率逐漸升高表明尾流中存在穩(wěn)定的渦街，且漩渦脫落頻率升高．脈動升力功率譜的尖峰表明尾流中存在穩(wěn)定的渦街；尖峰峰值逐漸減小，峰值對應(yīng)頻率逐漸升高，表現(xiàn)為在隨機振動中疊加了一個周期性的波動，這種周期性隨截面含氣率增加而減弱．

4 結(jié) 論

(1) CFD 仿真結(jié)果與實驗對比，最大誤差小于8%，平均誤差小于4%．CFD 數(shù)值模擬可以真實地反映低含氣率下實流流場中氣液兩相細泡流鈍體繞流特性．

(2) 氣液兩相流中斯特勞哈爾數(shù)Sr在同一水流量下，隨截面含氣率的變化而變化，不再為常數(shù)；在相同截面含氣率不同水流量下也不為常數(shù)．表現(xiàn)出氣液兩相流鈍體繞流產(chǎn)生的漩渦存在一定的隨機性．

(3) 在截面含氣率低(小于10%，實驗中小于8%)的情況下，隨含氣率的增加，氣液兩相流鈍體繞流能產(chǎn)生穩(wěn)定的渦街，引發(fā)的脈動升力幅值逐漸減小，振動隨機性增強，破壞了周期性．

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