多孔介質(zhì)通道氣液兩相流型及壓降特性研究

楊曉明，孫 斌，翟東旭

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.國(guó)電吉林江南熱電有限公司，吉林吉林132011)

在動(dòng)力工程，石油化工，核能利用等領(lǐng)域廣泛存在氣液兩相流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的現(xiàn)象，如化工行業(yè)多孔填料中的流動(dòng)和核反應(yīng)堆的冷卻［1－3］。對(duì)多孔介質(zhì)中流動(dòng)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前工程熱物理學(xué)科的一個(gè)重要研究課題［4］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多孔介質(zhì)通道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了較多研究，但對(duì)豎直向上流動(dòng)條件下的流動(dòng)特性研究較少。Larkins［5］等最早對(duì)豎直條件下多孔介質(zhì)通道的氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，此后一些學(xué)者陸續(xù)對(duì)氣液兩相流在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多孔介質(zhì)通道內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并得出了相應(yīng)的流動(dòng)阻力關(guān)系式［6－17］。

本文對(duì)由球形顆粒填充而成的多孔介質(zhì)通道進(jìn)行了氣液兩相豎直向上流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，采用高速數(shù)字?jǐn)z像儀采集分析了四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)多孔介質(zhì)通道內(nèi)的流型信息，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量了不同流型時(shí)多孔介質(zhì)通道內(nèi)的壓差信號(hào)，通過(guò)對(duì)兩類阻力模型擬合得出阻力關(guān)系式并進(jìn)行了比較。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)是在空氣－水兩相流系統(tǒng)上完成的。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置由以下三部分組成:流體控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。流體控制系統(tǒng)包括水箱，水泵，空氣壓縮機(jī)，氣液混合器，實(shí)驗(yàn)段和旋風(fēng)分離器。水由水泵從水箱中抽出經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入氣液混合器，空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)和電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入氣液混合器。氣液兩相流體在混合器中混合后，流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段，進(jìn)行差壓信號(hào)采集和流型圖像采集后進(jìn)入旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)氣液分離，分離出的空氣直接排入大氣，分離出的水流回水箱進(jìn)行循環(huán)利用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括恒壓直流電源，數(shù)據(jù)采集板和差壓變送器。采集板為16通道數(shù)據(jù)采集板。差壓變送器采用Rosemount3051S電容式差壓變送器，測(cè)量精度為0.05%。圖像采集系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)組成。由于高速攝影法對(duì)光線的亮度有較高的要求，本次實(shí)驗(yàn)采用500W的鎢燈管作為照明系統(tǒng)光源。高速攝影系統(tǒng)采用瑞士公司研制的Speed Cam Visario系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大分辨力為1536×1024，最大幀速為10000幀/s，可以清晰的抓拍各種流型的瞬變圖像。在流型圖像采集過(guò)程中，逆光照明難以穿透實(shí)驗(yàn)段，無(wú)法提供足夠亮度，因此采用順光照明。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試段豎直布置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)試段是由壁厚5 mm的有機(jī)玻璃管制成的長(zhǎng)為1 000 mm，內(nèi)徑為50 mm的圓柱形通道，其內(nèi)部分別填充直徑為2、3、5.5、8 mm的有機(jī)玻璃球，形成四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多孔介質(zhì)通道，通道參數(shù)見表1。在實(shí)驗(yàn)段填裝時(shí)，通過(guò)高速水流的沖擊和振動(dòng)以使通道內(nèi)的玻璃球填充緊密，并在實(shí)驗(yàn)段兩端加裝不銹鋼濾網(wǎng)和有機(jī)玻璃旋塞充分壓緊固定，以防止當(dāng)實(shí)驗(yàn)氣液流量較大時(shí)通道內(nèi)的玻璃球發(fā)生松動(dòng)。為了消除進(jìn)出口效應(yīng)，取壓點(diǎn)布置在距實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口各100 mm的位置。為了保證實(shí)驗(yàn)時(shí)的取壓均勻和防止玻璃球?qū)θ狐c(diǎn)形成堵塞，沿實(shí)驗(yàn)段周向均勻開四個(gè)1mm的取壓孔，并在其外安裝有機(jī)玻璃取壓環(huán)。

表1 實(shí)驗(yàn)段參數(shù)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥，將水流量調(diào)節(jié)到所需流量后，再調(diào)節(jié)氣體流量來(lái)改變流經(jīng)測(cè)試段的總流量和含氣率，待氣液兩相流動(dòng)穩(wěn)定后，采集實(shí)驗(yàn)段的流量，差壓等參數(shù)，并通過(guò)高速攝影系統(tǒng)獲取流型，重復(fù)以上步驟直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

本文拍攝圖像的分辨率為1536×1024，幀頻為1 000幀/s。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍:溫度15－25 ℃，氣相流量0.3－12 m3/h，液相流量0.18－0.45 m3/h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 兩相流型及圖像分析

在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，固定液體流量，漸次提高氣體流量，依次拍攝到泡狀流、彈狀流、脈沖流、霧狀流四種流型。

圖2 泡狀流

泡狀流:如圖2所示，在氣液流速均很低時(shí)氣泡呈球形，其尺寸小于孔隙尺寸，可以在孔隙中自由流動(dòng)，隨著氣體流速增加，氣泡尺寸變大，受到孔隙的擠壓而變形，氣泡在流動(dòng)過(guò)程中受孔隙結(jié)構(gòu)和自身尺寸影響可能會(huì)暫時(shí)滯留于孔隙中。

彈狀流:如圖3所示，在泡狀流基礎(chǔ)上繼續(xù)增大氣體流量，氣泡數(shù)量增多，尺寸和運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大，相鄰氣泡開始碰撞融合形成細(xì)長(zhǎng)氣泡，隨著氣體流速增加，氣泡之間的融合頻率增加并最終形成氣彈，氣彈形狀與孔隙形狀相似，其尺寸與孔隙尺寸相當(dāng)，由于多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，氣彈在向上流動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)破裂并與其他氣彈融合，氣彈長(zhǎng)度隨著氣體流量增加先增大后因破裂頻率增加而逐漸減小。

圖3 彈狀流

脈沖流:如圖4所示，進(jìn)一步增大氣體流量，氣彈在液相的剪切和多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙重作用下，被分解成大量的氣團(tuán)，兩相流動(dòng)進(jìn)入脈沖流形態(tài)，脈沖流存在明顯的富氣段和富液段分界面，富氣段和富液段交替通過(guò)多孔介質(zhì)通道，富液段內(nèi)部液相占據(jù)大部分空間，氣相以形狀各異的氣團(tuán)形式存在，而富氣段具有明顯的霧狀流動(dòng)特征，繼續(xù)增大氣體流量，富液段長(zhǎng)度逐漸減小，其內(nèi)部含氣率逐漸增大，分界面逐漸模糊消失，兩相流動(dòng)最終進(jìn)入霧狀流形態(tài)。

圖4 脈沖流

圖5 霧狀流

霧狀流:如圖5所示，當(dāng)氣相流速極高時(shí)，兩相流動(dòng)呈現(xiàn)霧狀流形態(tài)，氣相形成連續(xù)通道，液相在填充小球表面形成液膜并被高速流動(dòng)的氣體裹挾進(jìn)入氣相形成霧狀流動(dòng)，在調(diào)節(jié)氣體流量剛進(jìn)入霧狀流型時(shí)，孔隙率較大的通道壁面存在大量高速流動(dòng)的小氣泡，繼續(xù)提高氣體流量，氣泡數(shù)量減少并逐漸形成連續(xù)氣相。

2.2 壓降特性

四種多孔介質(zhì)通道的壓降特性如圖6所示。從圖6可以看出，固定液相流量，通道壓降隨著氣相流量增加而增大，但其變化幅度逐漸減小，最后與氣相流量基本呈線性變化。從圖中還可看出，在兩相流速相近的流動(dòng)條件下，通道壓降隨著填充顆粒直徑的增加而減小，4#通道阻力壓降比其余通道低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是因?yàn)殡S著顆粒直徑增大，通道內(nèi)顆粒的總表面積減小，即流體與顆粒的作用面積減小，流動(dòng)中的慣性損失減小，從而使流動(dòng)阻力顯著下降。

圖6 四種通道的壓降特性

隨著對(duì)多孔介質(zhì)氣液兩相流動(dòng)研究的進(jìn)展，國(guó)內(nèi)外的研究者陸續(xù)提出了一些用于計(jì)算多孔介質(zhì)氣液兩相流動(dòng)阻力的經(jīng)驗(yàn)公式，這些公式大致上可以分為以Lockhart－Martinelli概念為基礎(chǔ)的分相模型阻力公式和以氣液兩相雷諾數(shù)為基礎(chǔ)的均相模型阻力公式［7］，鑒于相關(guān)的研究還很不完善，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠豐富，本文將以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)這兩類阻力公式分別進(jìn)行擬合，并對(duì)其預(yù)測(cè)精度進(jìn)行比較。

2.2.1 分相模型阻力公式

多孔介質(zhì)通道分相模型阻力公式的常用形式如下:

式中，ΦL為分液相折算系數(shù)，χ為分氣相折算系數(shù)，ΦG與分液相折算系數(shù)ΦL的比值，即馬蒂內(nèi)里參數(shù)，C與n是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，上述參數(shù)的定義式如下:

分液相折算系數(shù):

分氣相折算系數(shù):

馬蒂內(nèi)里參數(shù):

上述定義式中，(dP/dx)為氣液兩相流動(dòng)時(shí)的阻力壓降梯度，(dP/dx)G和(dP/dx)L分別為氣液兩相單獨(dú)流過(guò)多孔介質(zhì)通道的阻力壓降梯度。本文采用廣泛采用的Ergun［16］公式計(jì)算單相流體流過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)的壓降，Ergun公式為:

上式中，μ為流體動(dòng)力粘度，Pa·s;u為流體折算速度，m/s;ρ為流體密度，kg/m3;A、B為Ergun方程的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值與填充顆粒形狀和大小有關(guān)，本文實(shí)驗(yàn)條件下A和B的值分別取180和1.8［16］。

根據(jù)上述定義式和單相流體壓降方程通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到C=1.035，n=0.359，擬合結(jié)果如圖7所示。

利用本文改進(jìn)后的分相模型關(guān)系式對(duì)4種通道在實(shí)驗(yàn)條件下的阻力壓降進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出其對(duì)4種通道的平均相對(duì)誤差值分別為 9.15%、7.85%、8.83%、10.94%。

2.2.2 均相模型阻力公式

多孔介質(zhì)通道均相模型阻力公式以氣液兩相雷諾數(shù)為基礎(chǔ)，本文采用Kahn［17］提出的阻力系數(shù)定義，其形式如下:

圖7 ΦL關(guān)于χ的擬合曲線

在上述定義式中，dp為填充顆粒直徑，m，uSL為液相折算速度，m/s，ρL為液相密度，kg/m3。

以氣液折算速度作為特征速度，填充顆粒直徑作為特征尺寸定義多孔介質(zhì)兩相流動(dòng)的氣液雷諾數(shù)，定義形式如下:

在上式中，uSG為氣相折算速度，ρG為氣相密度，μG為氣相動(dòng)力粘度，μL為液相動(dòng)力粘度。

本文認(rèn)為通道阻力系數(shù)由氣相雷諾數(shù)，液相雷諾數(shù)，通道孔隙率，填充顆粒直徑和通道直徑共同決定。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到如下的阻力系數(shù)關(guān)系式:

在上式中，dc為多孔介質(zhì)通道直徑，m。

將阻力公式(9)的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，通過(guò)公式(9)計(jì)算得到的阻力值與實(shí)驗(yàn)值符合很好。公式(9)對(duì)四種通道阻力預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差值分別為4.73%，6.53%，6.49%，8.05%。

圖8 公式(9)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較

2.2.3 改進(jìn)后兩類模型阻力公式的比較

分相模型阻力公式形式簡(jiǎn)單直觀，但其并沒有體現(xiàn)出影響阻力壓降的內(nèi)部因素，均相模型阻力公式形式較為復(fù)雜，但其包含了影響阻力壓降的重要因素，包括反映流體性質(zhì)的氣液兩相雷諾數(shù)和反映通道結(jié)構(gòu)特征的孔隙率、填充顆粒直徑和通道直徑。在對(duì)阻力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度方面，公式(9)對(duì)1#通道的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度最高，隨著顆粒直徑的增加，公式(9)的預(yù)測(cè)誤差有所增大，這是因?yàn)?#通道的孔隙率在徑向差別最小。公式(9)對(duì)四種通道阻力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度均優(yōu)于公式(1)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)多孔介質(zhì)通道氣液兩相垂直向上的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，通過(guò)高速攝影儀在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)依次觀察到泡狀流、彈狀流、脈沖流、霧狀流四種流型，并總結(jié)了各種流型的特征。依據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的兩相流動(dòng)阻力數(shù)據(jù)，分別對(duì)多孔介質(zhì)分相和均相阻力模型進(jìn)行擬合，得出了適于本實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)的兩類阻力關(guān)系式，改進(jìn)后的兩類模型均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了較好的吻合，但均相模型相對(duì)于分相模型，由于其模型定義中包含了影響多孔介質(zhì)兩相流動(dòng)阻力壓降的各個(gè)要素，因此其物理意義更加清楚，并且其對(duì)四種通道阻力預(yù)測(cè)的精度均優(yōu)于分相模型，因此均相模型可以優(yōu)先用于多孔介質(zhì)通道氣液兩相流動(dòng)的阻力計(jì)算。

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