管內(nèi)垂直下降液膜速度與厚度分布特性

王晶，王亦飛，顏留成，伍子瑋，于廣鎖（華東理工大學潔凈煤技術研究所，煤氣化及能源化工教育部重點實驗室，上海 200237）

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管內(nèi)垂直下降液膜速度與厚度分布特性

王晶，王亦飛，顏留成，伍子瑋，于廣鎖
（華東理工大學潔凈煤技術研究所，煤氣化及能源化工教育部重點實驗室，上海 200237）

摘要：對洗滌冷卻管內(nèi)垂直降膜的流動特性進行研究，采用超聲波多普勒測速儀對管內(nèi)不同周向以及軸向位置的液膜厚度和速度進行了無接觸式的測量，液膜Reynolds數(shù)范圍為1.0×104～3.1×104。結果表明：在0°周向位置上液膜厚度與速度均達到最大值，導致該位置局部液膜厚度過大而不能保持穩(wěn)定，部分液體脫離液膜表面，此外還造成了8°和16°位置的液膜厚度激增。在軸向上，當Reynolds數(shù)小于2.0×104時，液膜速度在重力作用下隨流動距離增加而增加，反之，液膜速度因為流動阻力會隨距離增加而減小。隨著Reynolds數(shù)的增大，液膜平均厚度和速度呈增大趨勢。此外，Reynolds數(shù)的增大還會使得液膜更加不穩(wěn)定。

關鍵詞：氣液兩相流；湍動；膜；速度測量；厚度測量；超聲多普勒測速儀

2015-12-23收到初稿，2016-02-04收到修改稿。

聯(lián)系人：王亦飛。第一作者：王晶（1990—），女，碩士研究生。

Received date:2015-12-23.

Foundation item: supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2012AA053101).

引　言

在多噴嘴對置式水煤漿氣化技術中洗滌冷卻室是重要的組成部分，它主要由洗滌冷卻環(huán)、洗滌冷卻管、氣相分離空間、液池等組成[1-2]。在洗滌冷卻室內(nèi)，冷卻水經(jīng)洗滌冷卻環(huán)分布后沿洗滌冷卻管內(nèi)壁呈膜狀向下流動，同時與高溫氣體發(fā)生熱質(zhì)交換，使其冷卻并增濕。洗滌冷卻管內(nèi)垂直降膜的流動特性對其與高溫合成氣、熔渣之間的傳熱傳質(zhì)有著重要的影響。除此之外，氣液兩相降膜流動還廣泛用于各種工業(yè)領域，如空調(diào)與制冷、核工業(yè)、機械加工及石化行業(yè)等[3]。

部分學者借助高速相機、電導或電容探針等設備對圓管內(nèi)或平面上的氣液兩相降膜流動進行了研究。宋建等[4]借助高速攝像儀和高頻電容探針測量了豎直平板表面下降液膜表面波的頻率和周期等參數(shù)。王靈萍等[5]采用雙平行電導探針對豎直圓管內(nèi)下降液膜的厚度進行了測量。閻維平等[6]借助CCD攝像機對豎直平板上下降液膜的厚度進行測量，得到了液膜厚度在時間和空間上的分布情況。韋勝杰等[7]同樣借助電容法測量了低Reynolds數(shù)下豎直平板上下降液膜的厚度。Abdulkadir等[8]對180°豎直彎管內(nèi)氣液兩相流的液膜進行了研究，采用平行線狀電導探針測量液膜較厚的區(qū)域（>2.5 mm），用嵌入式針狀電導探針測量液膜較薄的區(qū)域（<2.5 mm）。

最早的關于降膜流動的研究可以追溯到1916年提出的Nusselt理論，提出的膜狀層流流動模型假設降膜為無限寬薄液膜、具有光滑的自由剪切氣液界面、物性參數(shù)為常數(shù)、流動向無傳熱等。當壁面與水平方向夾角為90°時，液膜速度及厚度的計算式如下

其中液膜厚度δ的表達式為

Alekseenko等[9]采用電導探針測量了內(nèi)徑15 mm的豎直圓管內(nèi)的液膜厚度，液膜Reynolds數(shù)范圍10～135，結果表明表面波的速度對逆流氣相速度較為敏感。

Koizumi等[10]對內(nèi)徑30 mm豎直圓管內(nèi)水和硅油兩種介質(zhì)形成的液膜進行了研究，以水為液相的液膜Reynolds數(shù)范圍4200～7700，將熒光染料溶于液相，用氬激光束照射液膜使其發(fā)出熒光，用高速攝像機拍攝圖像，據(jù)此分析計算液膜的速度等，推導出了最大液膜厚度與波速的關聯(lián)式為

此外，也有學者通過數(shù)值模擬方法對下降液膜的流動特性[11-12]和傳熱傳質(zhì)特性[13-15]進行了研究。

目前，對于降膜流動問題的研究多集中于中低Reynolds數(shù)條件下（Re<1.0×104），同時鮮有學者通過實驗方法對液膜的速度進行測量。本工作對洗滌冷卻管氣液兩相垂直下降液膜的特性進行了研究，液膜Reynolds數(shù)最高達3.1×104。借助超聲多普勒測速儀對液膜的厚度和速度進行測量，獲得了不同Reynolds數(shù)條件下液膜的平均厚度和平均速度的分布情況，研究其分布特性，為降膜流動在洗滌冷卻室內(nèi)的應用提供理論指導。

本工作采用的超聲多普勒測速儀（ultrasound Doppler velocimetry, UDV）是一款基于超聲波探測技術測量流體速度的儀器，可以用于液態(tài)金屬流動測量[16-17]、固體顆粒運動測量[18]、氣泡運動測量[19]和固含率測量[20]等。相比電導法、電容法等接觸式方法，非接觸式測量具有受限小、不擾亂流場等特點。此外，由于超聲波有較強的穿透性，對裝置的可視化程度沒有要求，可以穿過不透明壁面進行測量。

1　實驗裝置與方法

圖1　實驗裝置Fig.1　Schematic diagram of experimental apparatus1—UDV; 2—computer; 3—flow-meter; 4—water pump; 5—water tank; 6—scrubbing-cooling ring; 7—water inlet; 8—scrubbing-cooling tube; 9—transducer; 10—chamber

實驗裝置如圖1所示，洗滌冷卻管內(nèi)徑為0.138 m，高度為1 m。實驗介質(zhì)液相為水，氣相為空氣。水由水泵輸送至洗滌冷卻環(huán)，洗滌冷卻環(huán)上共有4個對稱的入水口，每個入水口進水流量相同。經(jīng)洗滌冷卻環(huán)分布后，水以液膜的形式沿洗滌冷卻管內(nèi)壁豎直向下流動。為了便于闡述，定義周向角度θ，選取入水口所在位置為0°，如圖1所示。定義軸向高度H，洗滌冷卻環(huán)出口處H=0，洗滌冷卻管出口處H=1 m。洗滌冷卻環(huán)出口處液膜平均速度范圍為0.87～2.62 m·s?1，液膜Reynolds數(shù)Re=1.0×104～3.1×104，其計算式為Re=4Γ/μ，Γ為單位濕周上的質(zhì)量流量。

實驗采用超聲多普勒測速儀測量液膜的速度與厚度。因為實驗裝置是中心對稱的，所以測量時只在0°～45°范圍內(nèi)選擇測量點。在進行速度測量時需要在超聲波探頭外加套管，受裝置尺寸限制，選取了0°、22.5°和45° 3個周向位置，每個位置軸向上共取14個測量點。厚度測量選取了0°、8°、16°、24°、34.5°和45° 6個周向位置，每個位置軸向上取14個測量點。

圖2　速度與厚度的測量Fig. 2　Measurement of velocity and thickness of liquid film

圖2為超聲多普勒測速儀測量速度與厚度的示意圖。測量流體速度的原理[圖2(a)]基于多普勒效應，超聲波探頭向待測流體發(fā)出一定頻率的超聲波，穿過傳播介質(zhì)以及管壁后散播在流體介質(zhì)中。超聲波傳播方向與流體方向成一定夾角（即多普勒角），當遇到介質(zhì)中的固體顆粒、氣泡等示蹤粒子時反射波的頻率會發(fā)生改變，探頭接收到不同深度粒子反射波的時間不同，經(jīng)過信號動態(tài)頻譜分析和計算便可得到超聲波發(fā)射方向上不同深度的流體速度。在相界面處，因為聲波寬度不能忽略不計，所以測量得到的速度需要進行校正，具體方法可以參考Nowak[21]的工作。圖2(b) 為測量液膜厚度的原理。超聲波多普勒測速儀能夠獲得反射波的頻率和強度，而超聲波在穿過兩相界面時會有較強的反射，反射波的強度會出現(xiàn)一個峰值，根據(jù)發(fā)射與接收聲波信號的時間差可以計算發(fā)射反射的界面所在的位置。本實驗有壁面-液膜和液膜-氣體兩個相界面，其對應的兩個較強反射信號峰之間的距離即為液膜的厚度，并且超聲波自身衰減速度很快，經(jīng)過空氣介質(zhì)會很快衰減，所以在測量時不需考慮超聲波傳遞到對側液膜帶來的影響。本實驗所用的傳感器探測區(qū)域的直徑為5 mm，所發(fā)出的超聲波頻率為4 MHz，采樣速度為每秒100組數(shù)據(jù)。本實驗條件下，超聲多普勒測速儀厚度測量的誤差為0.06 mm，速度測量的誤差為6 mm·s?1。

測量的相對標準不確定度為

儀器相對標準不確定度為

合成不確定度為

液膜厚度的不確定度在0°位置最大，約為2.5%；速度的不確定度最大約1.5%。

2　結果與討論

2.1液膜速度分布

圖3為不同位置不同Reynolds數(shù)條件下平均液膜厚度分布。實驗測量了6個不同周向位置的液膜厚度分布。由圖3可見液膜厚度在0°位置出現(xiàn)最大值。當Reynolds數(shù)為1.0×104時，可以觀察到液膜最厚的位置出現(xiàn)在H≈0.2 m處，隨后液膜厚度在重力作用下開始降低。然而，當Reynolds數(shù)增大時，液膜厚度并沒有明顯的增厚，而是隨流動距離增加其大小保持基本不變，這與王靈萍等[5]使用雙平行電導探針測量得到的結果不同。其原因主要是當液膜Reynolds數(shù)大于10182時0°位置出現(xiàn)了部分液體脫離液膜進入氣相的現(xiàn)象，采用電導探針測量厚度時已經(jīng)脫離液膜的液體仍會經(jīng)過電導探針，因此被當成液膜的一部分，從而使得測量得到的液膜厚度偏大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是入水口恰好也在0°位置，雖然洗滌冷卻環(huán)已使液體分布盡可能均勻，但0°位置仍然會有液體積聚，使得該位置液膜較厚。當液體流量增大時，局部液膜越來越厚，液體的內(nèi)聚力不足以維持液膜的穩(wěn)定性，因此部分液體脫離了液膜，在氣相中繼續(xù)下落。

圖3　不同Reynolds數(shù)條件下液膜厚度分布Fig.3　Liquid film thickness distribution at different Reynolds numbers

周向角度為8°位置的液膜與0°位置相比較薄。當Reynolds數(shù)為1.0×104時，液膜厚度隨流動距離增加而減小。當Reynolds數(shù)較大時，液膜厚度在H=0.4 m左右出現(xiàn)了突然增加的現(xiàn)象，隨后液膜厚度持續(xù)減小，而且Reynolds數(shù)越大出現(xiàn)拐點的位置越靠后。這主要是受0°位置局部液膜狀態(tài)影響。0°位置局部液膜過厚，因此部分液體會向兩側較薄的區(qū)域流動。當Reynolds數(shù)為10182時，來自0°位置的液體造成的液膜厚度的增加不足以抵消重力造成的厚度減小，因此并沒有出現(xiàn)明顯的厚度激增情況。相比而言，16°位置的液膜比8°位置的液膜薄得多，因此液膜厚度激增的現(xiàn)象也更加明顯。此外，因為16°位置離0°位置更遠，液膜厚度激增出現(xiàn)的位置也更加靠后。

如圖3所示，24°、34.5°和45°位置的液膜厚度隨周向角度增加而減小。不同液膜Reynolds數(shù)的液膜厚度分布趨勢大致相同。在管上半部分，液膜厚度隨流動距離增加而略微減小，管下半部分趨勢剛好相反?？傮w而言，這3個位置的液膜厚度小于0°、8°和16°位置的液膜厚度。

圖4為不同Reynolds數(shù)條件下0°位置H=0.22 m處的液膜厚度隨時間的分布，虛線表示液膜的平均厚度。在低Reynolds數(shù)下液膜厚度隨時間波動幅度較小，當Reynolds數(shù)逐漸增大時，較大幅度的波動變得更加頻繁，而且波動的幅度也越來越大。總體而言，可以發(fā)現(xiàn)液膜厚度波動沒有明顯的規(guī)律；隨著Reynolds數(shù)的增大，液膜厚度波動的振幅和頻率均有所增加，也就是說液膜變得更加不穩(wěn)定。

2.2液膜速度分布

圖5為不同位置不同Reynolds數(shù)條件下液膜速度分布。在0°位置，與液膜厚度分布類似，液膜速度相比其他位置大。當液膜Reynolds數(shù)較?。≧el<2.0×104）時，隨著流動距離的增加，液膜速度增加，同時如圖3所示液膜的厚度減小。相反地，當液膜Reynolds數(shù)較大（Rel>2.0×104）時，可以發(fā)現(xiàn)，隨著流動距離的增加，液膜速度在管上半段迅速減小，在下半段緩慢增加，對應的液膜厚度一直保持穩(wěn)定。這是因為在管內(nèi)液膜速度主要受重力和阻力兩個因素影響。當Reynolds數(shù)較小時，液膜的初始速度較小，重力是關鍵因素，因此液膜的速度隨流動距離增加而增加。相反，當Reynolds數(shù)較大時，阻力的影響使得液膜的速度迅速降低。較大Reynolds數(shù)下速度變化趨勢的轉(zhuǎn)變可能是由0°位置部分液膜的脫離造成的。

與0°位置相比，22.5°與45°位置的液膜速度具有相似的分布趨勢，當Reynolds數(shù)較小時液膜速度隨流動距離增加而增加，當Reynolds數(shù)較大時液膜速度隨流動距離增加而一直減小。這兩個位置的速度值差距較小，而且均略小于0°位置的速度值?？傮w而言，液膜Reynolds數(shù)越大，液膜的速度也越大。

3　結　論

借助超聲波多普勒測速儀對洗滌冷卻管內(nèi)垂直下降液膜的速度和厚度進行非接觸式測量，分析了液膜厚度和速度的分布規(guī)律，得到如下結論。

圖4　不同Reynolds數(shù)條件下液膜厚度隨時間的變化Fig. 4　Thickness profiles of liquid film with time at different Reynolds numbers

圖5　不同位置及不同Reynolds數(shù)條件下液膜速度分布Fig.5　Liquid film velocities distribution at different circumferential positions and Reynolds numbers

（1）0°周向位置平均液膜厚度最大。當Reynolds更加不穩(wěn)定。

（3）0°周向位置的液膜速度較其他位置大。當數(shù)大于1.0×104時，該位置局部液膜厚度過大而不能保持穩(wěn)定，部分液體脫離液膜，在氣相中繼續(xù)下落。此外，該位置部分液體會向兩側液膜較薄的位置流動，造成8°和16°位置的液膜厚度激增。其余位置的液膜厚度較薄且變化較緩。

（2）整體液膜厚度和速度均會隨Reynolds數(shù)增大而增大。此外，Reynolds數(shù)的增大還會使得液膜Reynolds數(shù)小于2.0×104時，液膜速度在重力作用下隨流動距離增加而增加。與此相反，當Reynolds數(shù)大于2.0×104時，液膜速度因為阻力會隨距離增加而減小。不同周向位置的速度分布趨勢相似。

符號說明

g——重力加速度，m·s?2

H——軸向高度坐標，m

Ql——液體的流量，kg·s?1

Re——Reynolds數(shù)

s——平板面積，m2

t——時間，s

u——液膜速度，m·s?1

vl——液膜速度，m·s?1

x——以壁面為零坐標、垂直指向液體方向為正方向的橫坐標，m

?！獑挝粷裰苌系馁|(zhì)量流量，kg·m?1·s?1

δ——液膜厚度，m

θ——周向角度，(°)

μl——液體的黏度，m2·s?1

ρl——液體的密度，kg·m?3

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Characteristics of velocity and thickness distribution of liquid film in vertical falling tube

WANG Jing, WANG Yifei, YAN Liucheng, WU Ziwei, YU Guangsuo
(Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education, Institute of Clean Coal Technology, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Abstract:The flow characteristic of the falling liquid film in the scrubbing-cooling tube was researched in this paper. The ultrasound Doppler velocimetry was adopted to measure the velocity and thickness distribution of the liquid film non-instrusively at different circumferential and axial position. The Reynolds number ranged from 1.0×104to 3.1×104. The results showed that both the velocity and thickness of the liquid film were the largest at the 0° position, leading to unevener thickness distribution and the separation of the local liquid film and the sharp increase of the liquid film thickness at the 8° and 16° positions. In the axial direction, because of the effect of gravity, the liquid film velocity increased with the increase of flow distance when the Reynolds numbers was less than 2.0×104, whereas, it decreased at large Reynolds numbers since that the resistance became a dominant factor. Both of the thickness and velocity of global liquid film increased with increasing Reynolds number. Furthermore, the increase of the Reynolds numbers made the liquid film more unstable.

Key words:gas-liquid flow; turbulence; film; velocity measurement; thickness measurement; ultrasound Doppler velocimetry

中圖分類號：TQ 021

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）06—2239—07

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2012AA053101)。

Corresponding author:Prof. WANG Yifei, wangyf @ ecust. edu. cn

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151953