含气率特性实验研究-VORTEX-5使用

０ 引言

气液两相流在许多工业应用中经常遇到，如锅 炉、核反应堆的堆芯和蒸汽发生器、电子冷却器和 各种类型的化学反应堆．两相流中，流型和含气 率是重要参数．首先，流型不同换热效果不同；其 次，含气率是 计 算 其 他 物 理 参 数 的 关 键 参 数．随 着现代工业的发展，推动换热设备向高效和小型化 方 向 发 展，小 通 道 已 经 在 紧 凑 式 换 热 器 中 出 现，以水力直径为划分依据，水力直径在１ｍｍ 和６ｍｍ 之间的通道被称为小通道 ．与常规通道 相比，表面 效 应 在 小 通 道 内 两 相 流 动 时 起 很 大 作 用，使得两者两相流动特性有很大不同．

１ 实验系统及实验方法

１．１ 实验系统

为满足实验条件，作者设计并搭建了如图１所 示的两相流实验台．实验系统由循环水回路、气路、 实验段以及测量系统等组成．从高压氮气瓶流出的 氮气依次经过减压阀、高精度针阀、气体质量流量 计、截止阀和混合器（ 旋涡混合器VORTEX-5，海门市其林贝尔提供），水箱内的水依次流经过滤器、 变频恒压水泵、电 磁 流 量 计 和 混 合 器．混 合 后 的 氮 气－水两相流体流经实验段，实验段流出的水和氮 气分别排入水箱和空气．


１．２ 测量和数据采集系统

分别采用气体质量流量计和电磁流量计测量气 路和水路的流量，采用罗斯蒙特压力变送器测量气 液路的压力，实验段差压由罗斯蒙特差压变送器测 量．气体质量流量计、电磁流量计、压力变送器和差 压变送器由２４ＶＤＣ供电，输出４～２０ｍＡ电流并在 回路中串联２５０Ω电阻，从回路取出的１～５Ｖ电压 信号由与电脑相 连 的２０通道ＩＭＰ 采集 板 实 时 采 集，各仪器参数如表１所示．

１．３ 实验方法

此次实验温 度 为１６．８５ ℃，实验 压 力 为 常 压． 实验时，先固定水流量逐渐增大氮气流量并观察流 型变化，待流型确定后采集图像和实验数据，重复 以上步骤可得不同工况下的流型图和流动参数．

１．３．１ 流型图的采集

将数码相机通过连接线与电脑连接，并用ＳＯ－ ＮＹＩｍａｇｉｎｇＥｄｇｅ软件实时显示和储存图像，以 实 现可视化，相机型号为 ＤＳＣ－ＲＸ１００Ｍ６．实验段采用 透明的高分子材料制成，用以观察并拍摄流型图．

１．３．２ 含气率测量

实验采用具有结构简单、易于实现、测 量 精 度 高等优点的快关阀门法测量含气率．

２ 实验结果及分析

在液相表观速度范围为０．１５～１ｍ／ｓ时，固定 液相表观速度，逐步增大气相表观速度。气相表观速度固定时，气泡数量随着液 相表观速度的增大不断增加而气泡尺寸随着液相 表观速度的增大减小且气泡分布不断向管道横截 面扩散．这是由于液相剪切力不断增大，迫 使 气 泡 分散成更小尺寸的气泡。环状流时，进一步增大气速，自液膜产生的细 小液滴会被夹带至管道核心部分．如 图６所 示，固 定液相表观速度为Ｕｓｌ＝１．０ｍｓ－１，气相表观速度 分别为：Ｕｓｇ＝１４．０７ｍｓ－１，Ｕｓｇ＝１９．４９ｍｓ－１，随气 相表观速度的增加环状液膜变得极不平缓，这是由 于垂直上升管内的环状流存在皱波和扰动波 。

３ 含气率实验关联式分析和验证

有大量预测含气率的实验关联，这 些实验关联 式 可 以 分 为 四 类，分别 是 滑 动 比 关 联式、ＫεＨ 关联 式、漂移通量关联式和一般实验关 联式．滑动 比 关 联 式 是 这 种 类 型 关 联 式 的 广 义 表 达，由 Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ在１９７５年提出，该类型关联式 是关于湿度（１－Ｘ）和干度 Ｘ 比的函数．ΚεＨ 关联式 是一个常数或者是无滑动或平均含气率函数的倍 数．漂移通量表达式是关于分布参数Ｃ０ 和漂 移 速 度的函数．一般实验关联式是通过将基本物理参数 代入其他物理参数推导出的． 这些预测含气率的实验关联式是由不同的研 究人员在不同管径、不同流型、不同流体组合和不 同实验压力下基于有限数据得到的，故含气率关联 式对垂直向上圆形小通道内气液两相流含气率预 测的准确性未知，因此有必要对其进行验证，本文 选取 Ｎｉｃｋｌｉｎ的漂移通量关联式进行验证。

４ 结论

本实验采用可视化手段对水力直径为４．３５ｍｍ 垂直向上圆形小通道内流动机理和含气率特性进行 研 究，表 观 气 速 ０．０１～２０ ｍ／ｓ，表 观 液 速 ０．１５～ １ｍ／ｓ，可得到以下结论：
（１）垂直向上圆形小通道内气液两相流型有： 泡状流、弹状流、搅拌流和环状流．随着气相表观速 度的增加，泡状流时，气泡尺寸变小且气泡向横截 面方向扩散，弹状流时，气弹长度不断增加，搅拌流 时，气弹头尾破碎程度不断加剧，小气泡进入连续 液相，环状流时，液膜变得极不平缓．
（２）含气率随流型变化明显，泡状流和弹状流 时含气率通常在０．７以下（０＜α＜０．７），搅拌 流 时 含气率在０．７和０．９之间（０．７≤α＜０．９），环状流时 含气率大于０．９（０．９≤α＜１）；随气相表观速度的增 大，泡 状 流、弹状流和搅拌流的含气率急剧增加， 而环状流含气率基本保持不变；随液相表观速度的增大，泡状流和环状流含气率基本保持不变， 弹状流和搅拌流含气率减小．
（３）将本实验数据和 Ｎｉｃｋｌｉｎ的漂移通量关联 式预测值进行对比，发现该关联式不能准确预测垂 直上升圆形小通道内气液两相流含气率．圆形小通 道内气液两相流含气率预测是个有待深入研究的 课题，作者下一步将对该课题进行深入研究，推导 可准确预测小通道气液两相流含气率的新关联式.