光學(xué)探針在氣液兩相流動局部參數(shù)測量中的應(yīng)用研究

田道貴，孫立成，高 菲，劉靖宇，孫 波

（1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 光纖傳感科學(xué)與技術(shù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

0 引 言

在兩相流動的流動特性研究中，分別提出了均相流、分相流、漂移流、兩流體等模型［1］，并都得到了很好的發(fā)展。其中，兩流體模型被認(rèn)為是最精確的一種模型，因?yàn)閺臋C(jī)理上看，兩流體模型最能夠接近實(shí)際的物理過程。在兩流體模型的求解中，涉及到的局部界面面積濃度［1-6］這個關(guān)鍵參數(shù)，一般只能通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式獲得，這限制了兩流體模型的推廣應(yīng)用，因此在多相流領(lǐng)域，關(guān)于局部界面面積濃度的研究一直是重點(diǎn)之一。研究者采用多種實(shí)驗(yàn)方法［4］來獲得這一參數(shù)，為理論研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中探針方法［4-6］使用較多。Neal和Bankoff（1963）最先提出了電導(dǎo)探針的方法對兩相流動局部參數(shù)測量，接著Miller和Mitchie提出了光學(xué)探針的方法［7］。在探針方法中，電導(dǎo)探針具有機(jī)械強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)簡單，制作容易的優(yōu)點(diǎn)，一直以來受到研究者的普遍關(guān)注，但是要求被測介質(zhì)導(dǎo)電性好，為提高導(dǎo)電性，常向被測介質(zhì)中添加化學(xué)試劑［8］，而且電導(dǎo)探針信號響應(yīng)速度慢。光學(xué)探針雖然不如電導(dǎo)探針應(yīng)用廣泛，但是激光信號卻有著自己的獨(dú)特優(yōu)勢，信號要比電導(dǎo)探針更為敏感，在界面經(jīng)過傳感器時信號階躍變化更快，因此得到的數(shù)據(jù)精度也高于電導(dǎo)探針。然而，光學(xué)探針中使用的光纖很脆，容易斷裂，探針的制作處理要求非常精細(xì)，要真正做成一個能夠用于實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量的探針相當(dāng)困難。 針對上述情況，實(shí)驗(yàn)中成功設(shè)計(jì)制作出了雙傳感器光學(xué)探針，并將其應(yīng)用于兩相流動實(shí)驗(yàn)研究，對不同流動條件下相界面速度、局部時均空泡份額和局部時均界面面積濃度進(jìn)行了測量。同時將探針測得的空泡份額與通過壓降方法［9-10］得出的值進(jìn)行比較，驗(yàn)證自制的雙傳感器光學(xué)探針的測量精度，從而為兩流體模型的完善和推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 光學(xué)探針的制作

1.1 雙傳感器光學(xué)探針的制作

探針制作可分成準(zhǔn)備、組裝、測試和封裝4個過程。

探針制作中所使用的不銹鋼管具體尺寸如圖1所示。在準(zhǔn)備階段，首先用剝線鉗將光纖封裝護(hù)套剝除約30cm。組裝時，先將切割打磨好的兩根直徑為0.5mm 的毛細(xì)管一起插入直徑為1.5mm 的管中，將一端露出5mm 左右，并使露出端兩端頭前后相差約0.5mm，將三根細(xì)管涂膠固定；把直徑為2.5mm 的90°彎管的一端套入4.5mm 的管中，并在兩管接合處涂膠封死；將兩根光纖從4.5mm 管的另一端穿入，從2.5mm 管一端穿出。接著用光纖剝線鉗剝出約3cm 的裸光纖，然后用光纖切割刀切平光纖端面，保留纖芯長2cm 左右。最后將兩根光纖分別從已經(jīng)和1.5mm 管粘連一起的兩根0.5mm 管中穿出，露出的部分前后相距0.5～1mm。測試光纖切割端面時，先將光纖帶接頭端與光學(xué)探針信號轉(zhuǎn)換放大系統(tǒng)相連，再將切割端面分別置于水和空氣中，確認(rèn)能否準(zhǔn)確判斷出氣液兩相；之后將光纖端面快速插入拔出水面，檢測其對兩相變化的響應(yīng)快慢。如果能夠準(zhǔn)確判斷出氣液兩相，并能迅速響應(yīng)兩相的變化，則可以進(jìn)行最終的探針封裝操作。

圖1 雙傳感器光學(xué)探針Fig.1 Photo of the double-sensors optical probe

1.2 光學(xué)探針信號轉(zhuǎn)換放大系統(tǒng)

光學(xué)探針信號轉(zhuǎn)換放大系統(tǒng)由哈爾濱工程大學(xué)光纖傳感科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制作，其工作原理如圖2所示。系統(tǒng)主要由光路和電路兩部分組成。在光路中，激光光源產(chǎn)生的激光，首先經(jīng)Y 型分支路光纖耦合器等分成兩路輸入激光。圖2中表示的是其中一路輸入激光經(jīng)耦合器分光后進(jìn)入探針中的一根光纖，作為探針的其中一路入射光。入射激光在探頭端面發(fā)生反射，反射激光沿原路返回，再次經(jīng)Y 型分支路光纖耦合器，并被等分成兩路，其中一路等分反射激光進(jìn)入光信號接收裝置，并被光敏元件檢測轉(zhuǎn)換成電信號。由于光敏元件輸出的電信號很弱，先經(jīng)過多級放大電路后輸出放大電信號至采集系統(tǒng)。

圖2 光學(xué)探針信號轉(zhuǎn)換放大系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of signal transforming and magnifying system for optical probe

2 光學(xué)探針測量方法驗(yàn)證及應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)回路簡介

實(shí)驗(yàn)回路如圖3所示。實(shí)驗(yàn)段為透明的有機(jī)玻璃圓管，管內(nèi)徑為50.8mm。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為去離子水和空氣，水由離心泵提供動力，空氣則由壓氣機(jī)加壓后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)回路?？諝夂退诨旌锨唬?，5］內(nèi)混合形成大小基本一致且分布均勻的氣泡。水流量由可變量程質(zhì)量流量計(jì)測量，氣流量由量程不同的3個轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量。在實(shí)驗(yàn)段高徑比為22處（以實(shí)驗(yàn)段入口為起點(diǎn)）安裝探針，探針可沿管道徑向方向移動，以管道中心軸線為原點(diǎn)到管壁面間共設(shè)有12個測點(diǎn)，進(jìn)行局部參數(shù)測量。在實(shí)驗(yàn)段高徑比為24和34處，各安裝有一個精度為0.25%的壓力傳感器，實(shí)時測量實(shí)驗(yàn)段中這兩個位置的靜壓。實(shí)驗(yàn)中，氣相折算速度為0.015～0.059m／s，液相折算速度為0～0.138m／s。

圖3 實(shí)驗(yàn)回路簡圖Fig.3 Schematic of the experimental loop

2.2 探針測量方法驗(yàn)證

利用探針檢測的兩相流動相界面信號，一般先用閾值方法［7，11］將其轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號再進(jìn)行處理。通過探針得到的原始信號及處理后的方波脈沖信號如圖4所示，其中高電壓代表氣相，低電壓代表液相，一個脈沖波寬表示第j個氣泡通過探頭所經(jīng)過的時間Δτj。使用探針進(jìn)行局部空泡份額測量時，一般采用前探頭所檢測到相界面信號數(shù)據(jù)［6］。在測量時間間隔Ω內(nèi)，根據(jù)前探頭檢測到的所有氣相出現(xiàn)的時間，結(jié)合式（1），即可得到局部時均空泡份額：

圖4 探針檢測原始信號及閾值化處理信號Fig.4 Raw signal and processed signal

式中（r）表示徑向r位置處的時均空泡份額；Nt表示測量時間間隔Ω內(nèi)測得氣泡數(shù)目。

通過對流道中某個截面上所有的位置點(diǎn)的局部時均空泡份額進(jìn)行積分平均，即可得到該截面上的時均空泡份額：

式中，〈α〉表示截面時均空泡份額；A表示探針測量點(diǎn)流道的橫截面積。

實(shí)驗(yàn)中將由式（2）得到的截面空泡份額和由壓降方法得到的空泡份額進(jìn)行比較，結(jié)果見圖5。從圖中可以看出，探針方法相對壓降方法測得空泡份額的誤差基本在15%以內(nèi)，其平均誤差為8%，表明本實(shí)驗(yàn)所制作的雙傳感器光學(xué)探針相對準(zhǔn)確可靠，可用于氣液兩相流局部參數(shù)的測量。

圖5 探針法與壓降法測量空泡份額比較Fig.5 Comparison of the void fraction measured by optical probe against pressure method

3 光學(xué)探針測量應(yīng)用

光學(xué)探針方法測量原理是根據(jù)光纖在液相和氣相介質(zhì)中端面反射率不同，利用光通過光纖端面反射光強(qiáng)不同來判斷探針是處在氣相還是在液相介質(zhì)中。通過探針測量方法除了可以獲得空泡份額，還可以對界面面積濃度、氣泡通過頻率、相界面速度、Sauter均徑、氣泡弦長等局部參數(shù)［2］進(jìn)行測量。

當(dāng)同一個相界面先后通過探針的前后探頭，則所經(jīng)歷的時間差可用圖4所示的Δtj表示，又知道兩探頭間的距離為Δs，則第j層相界面在主流流動方向上的速度｜Vszj｜可表示為：

在兩相流動中，界面面積濃度是兩相流體之間通過相界面?zhèn)鬟f質(zhì)量、動量和能量大小的決定因素之一，其物理意義是兩相混合體中單位體積內(nèi)的相界面面積。在使用雙傳感器探針測量局部時均界面面積濃度的統(tǒng)計(jì)模型中，Kataoka模型比較好［6］，其表達(dá)式為：

式中表示局部時均界面面積濃度；N表示局部位置處單位時間內(nèi)測得氣泡個數(shù)，即氣泡頻率；α0表示相界面速度與主流流動方向的最大夾角，是一個統(tǒng)計(jì)意義上的參量［1］。

實(shí)驗(yàn)中測得的不同氣液流量下局部時均空泡份額、相界面平均速度和界面面積濃度（IAC）徑向分布見圖6。從圖6（a）中可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下空泡份額在流道中間很大范圍內(nèi)沿徑向變化平緩，在近壁面出現(xiàn)明顯的峰值，分布呈“壁峰型”［12］；且隨氣相流量增大，壁面附近分布峰越陡。從圖6（b）中可以看出，相界面速度在流道中間區(qū)域較高，且變化比較緩慢，在接近壁面時明顯降低；在氣流量相同時，流道中各處相界面速度隨水流量增大而明顯增大。圖6（c）中IAC的分布和圖6（a）的空泡份額分布基本相同，變化趨勢也一致。

圖6 局部流動參數(shù)徑向分布Fig.6 Radial profiles of the local flow parameters

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)制作的雙傳感器光學(xué)探針能有效地識別氣液兩相信號，測得的空泡份額平均誤差為8%，探針測量精度比較高，可用于氣液兩相流局部參數(shù)的測量。

（2）自制的探針可應(yīng)用于兩相流動中局部時均空泡份額、相界面速度、局部時均界面面積濃度等兩相流動局部參數(shù)的測量。

（3）在實(shí)驗(yàn)條件下，空泡份額沿徑向呈“壁峰型”分布；相界面速度在管中間部分較高，近壁面較低；界面面積濃度沿管道徑向分布與空泡份額基本相同，變化趨勢也一致。

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