（地球探测与信息技术专业论文）气液两相流中旋涡脱落特性的研究.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文 摘要 工业领域内存在着大量的气液两相绕流柱体的现象，一定工况下形成交替脱落的旋涡，诱发柱 体受到脉动升力的作用，由此产生的疲劳损伤大大缩短了工业设备的使用寿命。为了促进气液两相 涡街理论的发展和给工业设备的设计和安全运行提供充分的科学依据本文通过实验对气液两相绕 流柱体产生旋涡脱落的特性进行了研究。 在气液两相流中，研究了发生气液两相涡街时，气液两相斯特罗哈数的变化规律。给出了气液两 相斯特罗哈数的通用关系式。研究表明，气液两相斯特罗哈数在两相工况下为一变数，与来流截面含 气率、涡街发生体的迎流面宽度、来流流速等因素有关：应用通用关系式，根据测得的两相涡街频率 可将涡街发生体作为测量两相流流量与组分的测量元件。利用同轴相位含气率计对截面含气率进行 了实验研究。实验证明同轴相位含气率计具有良好的响应特性，且具有较高的分辨率。研究气液两 相斯特罗哈数，可为利用气液两相涡街特性测量气液两相流量与组分开辟一种新方法，也可望开发 出适用于气液两相流体流量等参数测量的新仪表通过实验研究了种基于旋流分离器的多相流流 量和分相含率的测量方法。气一液旋流分离器是依据离心分离原理实现相间的分离，与传统的依靠 重力实现气液分离的容积式分离器相比，具有结构简单、能耗低、重量轻、应用方便等优点。 关键词地球探测与信息技术：气液两相流；涡街：斯特罗哈数；截面含气率；气液分离器 i i 大庆石油学院硕士研究生学位论文 a b s t r a c t g a s l i q u i dt w o - p h a s ec r o s sf l o wo v e rc y l i n d e r si sv e r yf a m i l i a ri ni n d u s t r i e sf i e l d s u n d e rs o m e c o n d i t i o n s ，v o r t i c e sa r ea l t e r n a t e l ys h e df r o me a c hs i d eo f t h ec y l i n d e r , w h i c hi n d u c e st h ef l u c t u a t i n gf o r c e s a c t i n go nt h ec y l i n d e r i td e c r e a s e st h eo p e r a t i n gt i m eo ft h ee q u i p m e n t f o rt h ep u r p o s eo ft h el o n g - t e r m r e l i a b i l i t ya n dt h es a f e t yd e s i g n i n go ft h ei n d u s t r i a lc o m p o n e n ta n dt h et h e o r yo fg a s - l i q u i dt w o - p h a s e v o r t e xs t r e e t ，t h i sa r t i c l et h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt ow a sm a dt h eg a s l i q u i dt w o - p h a s ec r o s sf l o wo v e r c y l i n d e r sh a dt h ec h a r a c t e r i s t i cw h i c h t h ev o r t i c e sf e l lo f f t oc o n d u c tt h er e s e a r c h o c c u r r i n gi ng a s l i q u i dt w o p h a s ev o r t e xs 仃e e ；t h et h er u l eo fg a s l i q u i dt w o - p h a s es t r o u h a ln u m b e r a r es t u d i e di ng a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w au n i v e r s a le q u a t i o nf o rg a s l i q u i dt w o p h a s es t r o u l a a ln u m b e ri s o b t a i n e d r e s u l t ss h o wt h a tt h et w o p h a s es t r o u h a ln u m b e ri sav a r i a b l ea n di si n f l u e n c e db yv o i df r a c t i o n ， b o d ys i z ea n df l o wr a t ee t c b yu s i n gt h i su n i v e r s a le q u a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h et w o p h a s ev o r t e xs t r e e t f r e q u e n c y , t h ev o r t e xs t r e e te m i s s i o nc a l lb eu s e da sa ne l e m e n tf o rm e a s u r i n gt h et w o - p h a s ef l o wr a t eo r c o m p o n e n t s ，t h et e s ts t u d yh a sb e e nc a r r i e da b o u tt h eg a u g eb a s e do nc o a x i a lp h a s em e t h o dw i t hv o i d f r a c t i o n t h ee x p e r i m e n tt e s t i f yt h a tt h i sg a u g eh a sw e l lr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca n dh i g hr e s o l u t i o n s t u d y i n gg a s - l i q u i dt w o p h a s es t r o u h a ln u m b e ri n a u g u r a t e san e wm e t h o df o rm e a s u r i n gt h et w o - p h a s e f l o wr a t eo rc o m p o n e n t sb yu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f g a s l i q u i dt w o - p h a s ev o r t e xs t r e e t ，a n dd e v e l o p sa n e wi n s t r u m e n tt h a tm e a s u r e st h et w o p h a s ef l o wr a t eo ro t h e rp a r a m e t e r s t h em e t h o do fm e a s u r i n gt h ef l u xa n de a c ho ft h ec o n t a i n i n go ft h em u l t i p h a s ef l o wi s s t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ，b a s i n go nt h eg a s l i q u i dc y l i n d r i c a lc y c l o n es e p a r a t o r t h et w o - p h a s eo f g a s a n dl i q u i di ss e p a r a t e db yc e n t r i f u g a lf o r c ei nt h eg a s - l i q u i dc y l i n d r i c a lc y c l o n es e p a r a t o r c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a ls e p a r a t o r ，g l c ch a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l es t r u c t u r e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，s m a l l w e i g h t ，c o n v e n i e n ta p p l i c a t i o na n de t c k e yw o r d s ：g e o d e t e c f i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ；g a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w ；v o r t e xs t r e e t ； s t r o u h a ln u m b e rv o i df r a c t i o ng a s - w a t e rs e p a r a t o r i i i 大庆石油学院硕士研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确说明并表示谢意。 作者签名燃吼竺卫- 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后 瑚枞定懒储摊：i 蔓尚学位论文作者签名：3 厶s 拶 日期：徊 3 _ f ， 绎导师样：主出 日期： 瑚7 啼。5 t 大庆石油学院硬士研究生学位论文 创新点摘要 1 研究了在气液两相流中发生气液两相涡街时，气液两相斯特罗哈数的变化规律。通过实验，研 究了利用同轴线相位法测量两相流截面含气率。 2 利用气液两相涡街特性，提出了用涡街流量计和同轴线相位法含水率计在线不分离测量气液 两相流的流量与组分的方法。 3 通过实验研究了气液两相流中旋涡形成的影响因素。 4 针对目前多相流测量的不同方法和其中存在的一些问题，提出了一种基于小型管柱式气液旋 流自适应分离器技术的新方法。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 当流体流过一非流线形物体时，物体表面会有旋涡脱落，在一定条件下该旋涡会形 成涡列或称卡门涡街。其特点是：旋涡交替地从物体两侧脱落，在物体尾流中出现两列 旋转方向相反，并交叉排列的旋涡。这种交替脱落的旋涡诱发物体受到脉动升力的作用， 由此产生的疲劳损伤大大缩短了工业设备的使用寿命，有时会发生共振事故，造成极大 的破坏。 气液两相流是指同时存在气液两种物质状态的流动，即气体与液体的混合流动。两 相流动现象广泛存在于自然界和工业技术中。两相流动与工业生产和人民生活密切相 关。掌握了两相流规律就能使技术设备设计更合理、运行更安全，在改造自然环境和提 高人民健康水平等方面起到重要的作用。气液两相流中流体绕流是常见的现象，当气液 两相流体绕流物体时，在一定条件下，同样也会产生旋涡脱落的现象。气液两相绕流在 工业设备中常可遇到。例如电厂凝汽器、核电站轻水反应堆中，燃料棒子通道间的流动， 就是气液两相绕流流动，在气液两相流的测量中，经常用到毕托管和探针等测量元件， 当这些测量元件放到气液两相流中去进行测量时，也存在气液两相绕流问题，在流动工 况不良时会产生两相涡街，引起这些测量元件大幅度振动，从而影响测量精度和测量元 件的使用寿命。因流体绕流而导致工程设备事故的实例也不少。研究流体绕流时的旋涡 脱落特性对于一系列工程设备在设计和运行时避免发生流体诱发振动具有十分重要的 意义。特别在现代工程中，设计师力求将设备设计得紧凑和轻巧，倾向于把材料利用到 极限，因而研究旋涡脱落特性对于保证现代工业设备长期运行的可靠性和安全性具有特 别重要的现实意义。此外，对流体绕流时旋涡脱落特性的研究，对于深化和发展流体力 学中的旋涡流动理论具有重要的学术意义。 以上论述的是流体绕流物体诱发旋涡脱落现象对工业设备的危害性方面。另一方 面，在人们掌握了旋涡脱落特性后，就可以应用其特性为工业技术服务。例如，现时用 于测量单相流体流量的涡街流量计就是在掌握单相流体旋涡脱落特性后研制成功的一 种较为新型的流量计。在对气液两相流体旋涡脱落特性进行系统研究并掌握其规律后， 也可望开发出适用于气液两相流体流量等参数测量的新仪表，可以应用在油田正常生产 过程中多相流的流量和分相含率的在线测量。在原油开采过程中，为了确定各油井的原 油、天然气的产量，了解地层油气含量及地层结构的变化，需要对油井产出液中各组分 的体积流量或质量流量，进行连续的计量并提供实时计量数据，以优化生产参数，提高 采收率。因此对油田的开发具有一定的意义。 本文通过实验对气液两相绕流柱体产生旋涡脱落时旋涡脱落频率进行了研究，这些 问题的研究，不仅可以防止由于涡街脱落面对工程设备造成的破坏，在工业实际中有很 重要的现实意义，而且可以促进气液两相流体动力学中两相涡街理论的发展。此外。对 引言 于丰富和发展计算流体力学中的气液两相涡街的数值计算也具有理论意义。 对单相流体绕流物体并在其后部形成旋涡脱落现象的研究已有一百多年的历史，并 得出了许多成果。研究出的成果有单相流体在柱体后的旋涡形成和脱落机理，单相流体 绕流柱体的旋涡脱落特性，其特性包括旋涡脱落形式、涡街的稳定条件、发生涡街时柱 体表面上的受力及压力分布等。 对气液两相流体中旋涡脱落特性的研究约始于2 0 世纪8 0 年代初期。至今还只有二 十余年的历史，是多相流体力学的国际前沿研究项目。由于研究难度较大，研究历史较 短，因而已发表的论文不多，研究还属于初始阶段。 在国外对气液两相流体中旋涡脱落特性的研究主要得出以下一些成果。休林( h u l i n ) 等曾以水和空气的混合物为工质研究了绕流前后布置的两个梯形截面柱体的旋涡脱落 特性和发生涡街时，气液两相斯特罗哈数与来流水流量、截面含气率的关系l i l 。休林试 验得出了当来流截面含气率小于1 0 时涡街是稳定的。伊诺( i n o u e ) 、尤柯萨华 ( y o k o s a w a ) 等以水和空气混合物为工质研究了绕流单圆柱体和平板的旋涡脱落特性。他 们主要研究了气液两相绕圆柱体流动时，尾流中的含气率分布，还研究了垂直上升的气 液两相混合物绕平板流动发生涡街时，两相斯特罗哈数与来流水流量、截面含气率的关 系。潘蒂格雷( p e t t i g r e w ) 等用水和空气混合物为工质对正方形布置顺列管束的旋涡脱 落工况测定了管子振幅1 2 】。乔( j o o ) 等人以水和空气的混合物为工质研究了单管和正三角 形错列布置管束发生涡街时的管子时均阻力系数1 3 1 。以上就是国外的研究人员得出的一 些成果。 在国内，西安交通大学的林宗虎院士和他历届指导的博士生李永光，卢家才，谢正 武，苏新军等对气液两相流体中旋涡脱落特性进行了一定的研究【4 】。他们主要是对垂直 上升和下降管中旋涡脱落特性进行了研究。在国内外发表的主要成果有：气液两相斯特 罗哈数的通用计算式；气液两相流体横掠单柱体的两相涡街稳定性研究【5 1 ：气液两相流 体横掠多种单柱体( 包括方形柱体、三角形柱体等) 、顺列管束或错列管束时作用在柱体 或管子表面的压力分布、脉动升力、脉动阻力及其影响因素研究【6 】；单柱体及标准排列 管束会否发生两相旋涡脱落诱发振动的判别方法等 7 1 。此外，在两相涡街中含气率分布 测定方法、两相脉动力测定方法以及两相涡街数值计算方法等方面也有创新l 舒。 以上是国内外对气液两相流体中旋涡脱落特性研究的概况。由于对这方面的研究才 刚刚起步，只有十多年的历史，因此许多理论还很不完善1 9 1 。这就要求更多的研究人员 来进行研究，使其无论是在理论上还是在试验上有更进一步的发展。 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章单相流中旋涡脱落特性 对单相流体绕流物体并在其后部形成旋涡脱落现象的研究已有一百多年的历史。 1 8 7 8 年斯特罗哈( s t r o u h a l ) 研究弦线在风中振动发声时发现其振动频率和风速与弦线直 径之比值成正比【1 9 1 。1 年后，兰利( r a y l e i g h ) 在观察风吹琴弦振动时，注意到弦的振动不 是沿着风向，而主要发生在与风垂直的方向【憎】。1 9 0 8 年伯纳德( b e n a r d ) 观察到并研究了 单相流体流过钝物体后在物体后部形成的周期性旋涡脱落现象【2 0 j 。1 9 1 2 年卡f ( y o n k a r m a n ) 系统地研究了涡街的形成和稳定性等问题，使钝物体绕流研究上升到一个新的 高度【2 1 l 。 国际上对单相流体绕流物体诱发振动的大规模研究工作是在2 0 世纪5 0 年代开始 的，至今已发表了大量研究论文，得出了一系列研究成果。但是，由于单相流体横向冲 刷柱体的旋涡脱落现象是流体流动和柱体结构两个系统相互作用的结果，是一种复杂的 分离流动，受到诸如流体流动工况、紊流度及柱体形式、光洁度等许多因素的影响，不 少流动现象和机理仍未得到透彻认识，因而单相流体绕流柱体的分离流动问题仍是流体 力学中的一个重要研究领域。 1 1 单相流体在柱体后的旋涡形成和脱落机理 研究表明，在实际流体中，流体流过物体的摩擦阻力主要发生在紧靠物体表面的一 个称为边界层的流体薄层中。在平板边界层中，紧贴物体的一层流体粘在物体表面上， 流速等于零。从这一层起，流速逐渐增加。到边界层外边界上，流速己增加到等于或接 近来流速度。由于边界层内存在较大的速度梯度，根据内摩擦定律，存在较大的摩擦阻 小入 。关 瓣 4 彳 图1 1 圆柱体表面边界层的分离 力。在边界层外面，速度梯度很小，可以忽略摩擦阻力。边界层的厚度是沿着流动方向 3 第1 章单相流中旋涡脱落特性 逐渐增厚的。因为边界层中流速因摩擦力而沿流向减小，只有边界层厚度更大些，其外 边界上才能达到来流速度。 当流体流过曲面物体时，例如圆柱体，在圆柱表面上同样存在边界层，但此时边界 层外各处流速不像平板的情况那样都接近或等于来流速度，而是接近或等于图1 1 所示 的流过各截面的流速碣、群：、u ，。因而边界层外边界上各点的流速应等于流体流过 各截面的流速。为方便起见，一般规定，边界层外边界上各点的速度应与主流体流过该 点的流速相差l 。 一 在圆柱体等柱体上会发生一个重要的现象，即边界层分离。在图1 - 1 中，设来流的 速度为u 。在前驻点a 处，流速等于零而压力最大。当流体流过圆柱体时，边界层外流 体的速度在2 点最大。根据能量守恒定律，2 点的压力最小。因之，沿圆柱体表面的流 动可以分为两个区域。第一个区域在2 点之前，在此区域中沿流动方向速度渐增而压力 则逐渐减小，到2 点时速度最大压力最小。第二个区域在2 点以后，在此区域中沿流动 方向速度渐减而压力逐渐增高。由于边界层很薄，边界层中的压力可认为等于边界层外 边界上的流体压力，所以沿圆柱体表面的边界层中也具有和边界层外流体相同的压力分 布规律。因此，过了2 点后，边界层内流体质点除了受摩擦力作用外，还有与流动方向 相反的压力差的作用。 边界层外的流体可近似认为是理想流体，因此没有能量损失。例如，在点2 以后和 点l 相对称的点上，边界层外流体的流体速度和压力均能回复到和点l 的相等。但是， 在边界层内由于摩擦力作用，流体不断损失着动能。在点3 以前，只有壁上的流速等于 零。在点3 以后，例如在点4 ，由于边界层近壁处流体的动能消耗尽了，因而在后端高 压力作用下，除了壁上流体的流速等于零，近壁处的流体也发生停滞和倒流。边界层外 流体由于没有动能损失，仍在向前流动，这样在此区域就形成流体的旋转运动，亦即形 成旋涡，使流体不再贴着柱体表面流动，而是从柱体表面分离出去。柱体后面形成的旋 涡不断将有用的机械能耗费为无用的摩擦热，使旋涡区的压 力降低，使之低于柱体前部的压力和旋涡区外面的压力。 通常将点3 称为分离点s ，因为在该点上除柱体表面上 流体流速为零外，最贴近表面处的流体也开始停滞而倒流即 将发生。 圆柱体上的边界层内的流态，根据雷诺数的不同可分为 层流和紊流两种。雷诺数小时为层流边界层。当雷诺数增加 到某值时，层流边界层会转变为紊流边界层。当边界层为层 流时，圆柱体上的分离点离前驻点近些。当边界层为紊流时， 由于紊流时流体质点的横向掺混使得贴近表面处的流体不 易停滞，因而会使分离点向后推移，如图1 2 所示。 4 图1 2 层流边界层和紊流 边界层时的分离点位置 ( a ) 层流边界层时； ( b ) 紊流边界层时 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 2 单相流体绕流圆柱体的旋涡脱落特性 1 2 1 旋涡脱落形式 圆柱体的边界层分离点和旋涡脱落特性与雷诺 数关系密切。对不可压缩流体，光滑圆柱体的旋涡 脱落形式随雷诺数( 按圆柱体直径计算) 的不同可有 图1 3 所示的几种式样【2 2 1 。 由图可见，当雷诺数很低时僻e 5 ) ，流体贴着圆 柱体流动，无分离，尾流中无旋涡。当如数提高到 ( 5 1 5 ) r e 4 0 时，紧贴圆柱体背后形成一对对称 的稳定旋涡。当五p 数继续提高旋涡开始拉长。一直 到旋涡之一脱离圆柱体，随后另一个也脱离。这样 就形成一个周期性的旋涡脱落过程，在尾流中呈现 两列由交错排列的旋涡构成的涡街。在4 0 r e 1 5 0 时，边界层为层流，旋涡脱落为层流分离过程，因 而涡街为层流涡街。到如数等于1 5 0 3 0 0 时涡街 就出现紊流状态。m 数从3 0 0 到3 1 0 5 范围内称为 亚临界区，此时边界层仍为层流分离，而尾流已转 变为紊流涡街。在3 1 0 5 r e 3 5 1 0 6 范围内称超 临界区，此时边界层已由层流转变为紊流分离，分 离点向后移动，旋涡脱落变成不规则且尾流宽度也 因分离点后移而变窄。最后当m 3 5 1 0 6 后，周 期性旋涡脱落和紊流涡街又重新建立，这一胎数范 围称为高超临界区。 1 2 2 涡街的稳定条件 图1 - 3r e 数不同时圆柱体的旋涡 脱落形式 并非在任何条件下产生的涡街都是稳定的。绕血c 4 0 尾流中有一对稳定的旋涡； 圆柱体流动产生涡街的特点是流体在圆柱体两侧， ( c ) 4 0 r e 1 5 0 ，层流涡街；( d ) 1 5 0 。 周期性地、交替地向下游释放旋涡，形成两列交错r e 3 0 0 ，旋涡内部向紊流过渡；3 0 0 一 r e 3 排列的旋转方向相反的涡街。由于涡的相互作用和x 1 0 5 ，紊流涡街；( e ) 3 1 0 啦q 5 x 流体的扰动。这样的涡街通常是不稳定的。卡门曾1 0 6 ，层流边界层变为紊流分离，尾流变狭 对涡街的稳定条件作了专门研究【2 3 】。他假定流体为! 苎：苎定；d 船3 j 1 0 6 重新建立 理想流体，圆柱体无限长，各个旋涡都是垂直于流。 动方向的势涡，其环量均相等，且两列旋涡的旋转方向相反，旋涡外的流动均为势流。 第1 章单相流中旋涡脱落特性 在这些假定下，利用平面势流的方法，经数学推导，发现只有当两列旋涡的间距h 和同 列涡中相邻两涡的间距满足 s i n h ( 砌0 = 1 或hl=0281 ( 1 - 1 ) 时历产生的涡街是稳定的。因此h l 值称为涡街稳定性特征参数。这种涡街有时也称为 卡门涡街。实验证实，实际稳定涡街的h l 值与卡门的计算值非常接近。 研究表明，由于涡群的相互作用，涡街除了以来流速度“向下游流动外，又以一定 流速流向柱体。因而涡街向下游流动的绝对速度小于来流速度u ，具体数值由试验方法 确定。 1 2 3 涡街运动速度 为了导出旋涡脱落频率与流速之间的关系，首先要得到涡街本身的运动速度蜥。为 便于讨论，我们假定在旋涡发生体上游、稳定的流动，即其速度环量为零。从汤姆生定 理可知，在旋涡发生体下游所产生的两列对应旋涡的速度环量厂，必须大小相等，方向 相反，其合环量为零。由于对应两涡的旋向相反，速度环量大小相等，所以在整个涡群 的相互作用下，涡街将以一个稳定的速度r 向上游动。从理论计算可得，蜥的表示式为 r = 萧ft a n n 【_ n h ) 0 - 2 ) 对于稳定的涡街，将式( 1 2 ) 代入，有： t r u r2 寺蛐( 0 2 8 1 7 r ) 2 西j - 西i t0 - 3 ) 1 2 4 流体流速与旋涡脱落频率的关系 从前面讨论可知，当流体以流速”流动时，相对于旋涡发生体，涡街的实际向下游 运动速度为甜蜥，如果单列旋涡的产生频率为每秒，个旋涡，那么，流速与频率的关系 为 u - u ，= ( 1 - 4 ) 将式( 1 - 3 ) 代入，可得到流速u 与旋涡脱落频率厂之间的关系。但是，在实际上不可能测 得速度环量厂的数值，所以只能通过实验来确定来流速度“与涡街上行速度蚱之间的关 系，确定圆柱形旋涡发生体直径d 与涡街宽度h 之间的关系，有： h = 1 3 d ( 1 - 5 ) “，= 1 4 u( 1 6 ) 将式( 1 一1 ) ，( 1 4 ) ，( 1 5 ) ，( 1 6 ) 联立，可得： 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 ，。半2 锱2 等等地2 m 7 ， 也可将上式写成： 最：丝。0 2 o - s ) s 称为斯特罗哈数。从实验可知，在雷诺数r e 为3 x 1 0 2 3 x 1 0 5 范围内，流体速度”与旋 涡脱落频率的关系是确定的。也就是说，对于圆柱形旋涡发生体，在这个范围内它的斯 特罗哈数s 是常数，并约等于0 2 ，与理论计算值吻合的很好。对于圆柱型式的旋涡发 生体，其斯特罗哈数s 也是常数，但有它自己的数值2 4 】。图1 4 为圆柱型旋涡发生体产 生的涡街结构。 图l - 4 涡街结构示意图 根据以上分析，从流体力学的角度可以判定涡街流量计测量的上下限流量为： r e = 3 x 1 0 2 2 x 1 0 5 。当雷诺数更大时，圆柱体周围的边界层将变成紊流，不符合上述规律， 并且将会是不稳定的。 1 2 5 流体振动原理 当涡街在旋涡发生体下游形成以后，仔细观察其运动，可见它一面以速度“一蜥平行 于轴线运动，另外还在与轴线垂直方向上振动。这说明流体在产生旋涡的同时还受到一 个垂直方向上力的作用。下面讨论这个垂直方向上力的产生原因及计算方法。 同前讨论，假定来流是无旋的，根据汤姆生定律：沿封闭流动流线的环量不随时间 而改变。那么，当在旋涡发生体右( 或左) 下方产生一个旋涡以后，必须在其它地方产 生一个相反的环量，以使合环量为零。这个环量就是旋涡发生体周围的环流。根据茹科 夫斯基的升力定理，由于这个环量的存在，会在旋涡发生体上产生一个升力，该升力垂 直于来流方向。设作用在旋涡发生体每单位长度上的升力为，有： 工= 肛f( 1 - 9 ) 式中 p 一流体密度； 犷一来流速度； 严一旋涡发生体的速度环量。 从前面的讨论中可以得到以下关系： 第1 章单相流中旋涡脱落特性 f = 2 4 2 1 u ，；u ，= k i “；z = k 2 d ； 将上述关系代入式f l - 9 ) ，并令系数k = 2 v 2 q k z ，则有： l = 聊2( 1 - 1 0 ) 这就是作用在旋涡发生体上的升力。由于旋涡在旋涡发生体两侧交替发生，且旋转 方向相反，故作用在发生体上的力亦是交替变化的。而流体则受到发生体的反作用力， 产生垂直于轴线方向的振动，这就是流体振动的原理【2 5 1 。 1 2 6 流量公式 涡街流量计是一种速度式流量计【勰，它测的是流体的流速“。为得到流量值，必须 乘以流通截面积爿。对于不同形式的旋涡发生体，它的流通截面积计算是不同的。以下 仅举圆柱形旋涡发生体为例，其它就不一一列举了。 设圆柱体处流通截面积为a ，管道内径为d ，圆柱体直径为d ，可得：当d d 0 3 时，流通截面积4 可表示为 彳一x d 42 、1 “2 5 寺 ( 1 1 1 ) 由此可得流量公式为 铲出= 等譬( 1 - 1 2 5 d ) ( 1 1 2 ) 从该式可知，流量叮v 与旋涡脱落频率，在一定雷诺数范围内成线性关系。因此，也将这 种流量计称为线性流量计。 1 2 7 发生涡街时圆柱体表面上的受力及压力分布 当流体横向冲刷圆柱体时，来流作用在柱体上的作用力可分为与来流方向垂直的脉 动升力和与来流方向致的阻力。前者的时间平均值一般为零，而后者的均不为零。脉 动升力主要是由于涡街形成时旋涡交替自柱体脱落而使柱体两侧压力产生脉动而造成 的1 2 ”。图l 一5 示有因旋涡脱落而造成脉动升力的原理示意图。图中，当圆柱体下方产生 旋涡时，由于来流是均匀流动，其环量为零，由此作为旋涡旋转的反作用必然在圆柱体 周围产生一个逆环流，如图中虚线所示。这样，圆柱体上方速度将大于下方速度，而圆 柱体下方压力将大于上方压力。从而使圆柱体受到一个方向与来流方向垂直的升力。此 后当旋涡在圆柱体上方形成且顺时针方向旋转时，则由于同样原因，会在圆柱体上形成 一个方向相反的升力。这样周而复始，就会使圆柱体产生振动。 3 大庆石油学院硕士研究生学位论文 阻力主要是流体绕流圆柱体时由于表面摩擦阻力和圆柱体前后压差造成的。脉动升 力是随着旋涡脱落的进程随时间变化的，阻力由于旋涡脱落的影响也存在脉动田1 。 脉动升力和阻力的合成形成圆柱体表面上的总作用力。随着涡街形成和旋涡脱落的 进程，作用在圆柱上的总作用力的大小和方向是随着时间在不断变化的。 t 升力 一流速 旋转方向 发出的旋涡 图1 - 5 卡门涡街示意图 1 3 单相流体绕流其他柱体的旋涡脱落特性 1 3 ，1 旋涡脱落形式 其他非圆形截面柱体可分为两类，一类为迎流面为曲面的柱体，另一类为迎流面具 有锐边的柱体，后者也称为不良绕流体。带曲面柱体的旋涡脱落形式与圆柱体相仿，具 有曲面边界层分离的特点，其分离点位置与曲面形状和如数有关。带锐边的柱体，其 旋涡分离点一般均在迎流面的锐边上，不随如数而改变分离点位置。影响锐边柱体旋 涡脱落特性的主要因素为柱体的截面形状和相对结构尺寸【2 9 1 。 尽管柱体截面形状不同，其旋涡脱落条件和尾迹宽度也不尽相同，但是都存在周期 性的交替旋涡脱落并在下游形成涡街的特点。 1 3 ，2 斯特罗哈数 部分非圆柱体的数与如数的关系曲线示于图1 - 6 。由图可见，不良绕流体的s t 数一股较低。 矩形柱体截面两边的尺寸比值对旋涡脱落和阻力特性影响较大。在r e 5 1 0 3 时， 不同矩形截面的旋涡脱落特性随如变化较大。当如数在5 1 0 3 7 1 0 4 之间时，各矩 形柱体的s 数近乎与足p 数无关，而只与矩形截面两边的尺寸比值有关。图1 7 示有矩 形柱体的s 数随截面两边尺寸比a b 而变化的曲线。 由图1 - 7 可见，a b 增大，s 数先减小，在a , b 一2 8 时，又突然增高。这是因为 a b ：= = 爿4 g 三塑图5 匹至圣舀6e 圭毒兰三兰釜甾 图2 - 2 水平管中的气液两相流流型 l 细泡状流：2 - 柱塞状流：3 分层流： 扣被状流：5 - 礴状流：湖：状流 在气液两相流中的分相含率包括截面含气率( v 0 i df r a c t i o n ) a 、容积含气率 ( v o l u m e f r a c t i o n o f g a s ) 1 3 和质量流量含气率x ( 也称干度) 。为容器或管道中气相 所占截面积与总流通截面积之比，a 也称为截面空泡率，简称空泡率；b 为气相体积流 量占气液两相总体积流量的份额；x 为气相质量流量与两相质量流量之比。一般地，由 于气、液两相间存在相对速度，d 与1 3 并不一致。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 2 4 密度参数 两相流动中，密度也是一个常用参数，根据研究需要也有几种表示方法。真实密度 p b ( 题历3 ) ，p 扫= a p g + ( 卜晓) 功，表示两相流场中单位体积的质量“6 1 。流量密度p k ( 磁小3 ) 表示单位时间流过流道( 通过某截面或出口截面) 的两相流体积计算出的 密度，也称为混合密度。 2 5 雷诺数 表示惯性力与粘性力之比的无量纲参数1 1 7 1 。当规定雷诺数时，应指明一个作为依据 特征尺寸( 例如管道的直径、差压装置中孔板的直径、皮托管测量头的直径等) 。气液 两相流体的两相雷诺数可按下式计算 r e 。= 堕( 2 3 ) y “ 式中d 管子外直径，m m ： “。一两相流体平均流速，m s ； l ，。一两相流体的运动粘度，m 2 s 。 2 6 压力降 压力及压力降是两相多相流动中的基本参数之一。两相多相流动产生的压力降与 两相多相流系统其它参数密切相关，它的计算与测量可为两相i 多楣流工艺优化设计和， 相关参数的测量提供参照依据。 除上述参数外，温度、传热系数、传质系数、临界热通量、分散在两相多相流中的 气泡、液滴、颗粒尺寸及分布等也都是描述两相多相流动的一些特征参数。 第3 章气液两相流中旋涡脱落特性 第3 章气液两相流中旋涡脱落特性 对单相流体横掠单根柱体的旋涡脱落特性研究已有i 0 0 多年的历史，并已对单相流 体横掠单根柱体旋涡的形成、脱落、涡街发生的条件、涡街的稳定性以及涡街频率等， 从实验和理论上进行了较广泛的研究。但对气液两相流体横掠单根柱体旋涡脱落特性的 研究只有不到2 0 年的历史，这方面的研究成果还很少，研究处于气液两相流体力学的 国际前沿。 当气液两相流体横向冲刷柱体时，由于两相流体中气泡的存在，使气液两相绕柱体 的流动非常复杂。此时，柱体两侧旋涡的脱落，两相卡门涡街的形成、涡街的结构及稳 定性，两相斯特罗哈数，气液两相流绕流柱体旋涡脱落引起的柱体表面周向压力分布特 性等均与单相流中的情况有很大的不同。对气液两相流体横掠单根柱体，发生气液两相 涡街时的工况，在国内外有许多还是研究的很少，如：柱体的形状对气液两相涡街有何 影响? 混合物流动方向对两相涡街的影响如何? 发生两相涡街时，其两相斯特罗哈数是如 何变化的? 与哪些因素有关? 能否建立一个通用的两相斯特罗哈数计算式? 涡街发生体 尺寸和流道尺寸的比值对诱相涡街有何影响? 气液两相涡街的稳定性条件是什么? 能否 利用两相涡街的特性测量两相流流量或组分? 以上这些问题的研究，不仅在工业实际中 有很重要的现实意义，而且可以促进气液两相流体力学中两相涡街理论的发展。此外， 对发展气液两相流测量技术也具有理论意义和实用价值。 3 1 气液两相流体在柱体后的旋涡形成和脱落机理 涡街是绕流物体分离的一种特殊现象，其形成的机理相当复杂，是目前还在研究和 进一步认识的问题。涡街由两列相对的，旋转方向相反，交叉排列而稳定的旋涡组成。 在单相流体中，涡街与物体形状及雷诺数有关，在两相流中它还与来流截面含气率有关。 雷诺数太低，旋涡不能获得足够的能量，无法稳定发展，形成不了涡街；若雷诺数太高， 流体紊动增加，也使得流体抵抗分离的能力增强，由于剧烈的紊流脉动，使旋涡的脱落 不稳定，也不易形成稳定的涡街。在两相流中，由于流体中含有气泡，试验发现在物体 后面会形成一个气团。此外，物体后形成的旋涡中，旋涡核心是个低压区，质量较轻的 气泡将被吸人旋涡。因此，旋涡中心含气量要比旋涡外大得多。物体后的气团、旋涡中 1 4 大庆石油学院硕 研究生学位论文 的气泡量、旋涡外的气泡量、气泡的大小等都对旋涡有影响，使旋涡的结构改变，并影 响涡街的形成。当来流含气率增大时，一方面物体后部的气团变大另一方面，旋涡内 外的气泡量也增加。根据对单相流体的研究，当流体流过一非流线型物体时，其主要的 能量损失是由于旋涡引起的，在靠近旋涡核心的地方贮存着许多能量，在气液两相流中， 由于旋涡中吸入了气泡，旋涡的能量将降低，由于能量的降低，旋涡强度将减弱，这会 导致旋涡容易失稳，随着来流含气率的增加，旋涡中吸入的气泡量也增加，这时旋涡的 能量会进一步降低。随着旋涡能量的进一步降低，旋涡不再能吸入气泡，而在旋涡外的 气泡将对能量水平已降低、处于易失稳状态的旋涡扰动，与此同时，物体后部气团也随 之变大，这也会影响旋涡的生成。这样一来，只要来流截面含气率超过某一值后，旋涡 的脱落会受到较大的影响，从而形成不了气液两相涡街。以上的分析表明，当液体中含 有气泡时较之单相的液体更不易形成涡街。 根据对单相流体的研究，管壁的存在会影响到涡街的稳定性，但若涡街发生体尺寸 选择得当，则在管内的涡街会达到一个较稳定的状态。对单相流体而言，在直径为5 0 m m 的管内，涡街发生体迎流面宽度d 与管径的最佳比值为o 2 7 7 1 3 ”，可能出于同样的原因， 这个比值在两相流中也适用，因而比值为0 2 7 7 时，在两相流中均有稳定的涡街发生。 而其形与管径的比小于此值的物体，因而检测不到稳定的涡街。但是形状为准等腰三角 形的物体除外，它是良好的涡街发生体，其形与管径的比值小于o 2 7 7 时，也能形成两 相涡街。由此可以认为，准等腰三角形柱体是气液两相流中较佳的涡街发生体【3 2 1 。 3 2 两相斯特罗哈数 斯特罗哈数是研究流体绕流的一个重要特征参数，它表明了旋涡脱落特性的相似准 则数1 3 3 。在单相流体中，其表达式见式( 1 8 ) 。对单相流体发生卡门涡街时的斯特罗哈数 特性已有较多的研究，这些研究对深人了解单相流体绕单根柱体的旋涡脱落特性有非常 重要的作用。此外，也正是通过对单相流体斯特罗哈数的研究，人们制成了单相流体涡 街流量计，该流量计以其独特的优点，迅速在流量测量领域得到广泛应用。由于气液两 稆绕流工况的复杂性，国内外对气液两相斯特罗哈数的研究甚少。作者将阐述近年来国 内外在气液两相斯特罗哈数方面研究的新成果。研究气液两相斯特罗哈数，可为利用气 液两相涡街特性测量气液两相流量与组分开辟一种新方法，也可望开发出适用于气液两 相流体流量等参数测量的新仪表。 第3 章气液两相流中旋涡脱落特性 根据对单相流体的研究，发生涡街时，单相流体斯特罗哈数& s p 在较宽的雷诺数范 围内是一常数州。为研究气液两相流体横掠柱体时两相旋涡的脱落特性，作者采用下式 表达气液两相斯特罗哈数 & ”= 丝( 3 1 ) “” 式中厂气液两相涡街频率，h z d 涡街发生体特征尺寸( 该尺寸为发生体的迎流面宽度) ，m ； 材。气液两相混合物流速，m s 由研究人员的试验结果可以发现，若在气液两相流中有涡街发生，两相斯特罗哈数 & 。与口的关系可近似用直线表示t 翊。除圆形截面柱体外，具有锐边柱体的两相斯特罗 哈数研。与来流水流量关系不大，而主要与来流截面含气率盯有关，对于不同的物体形 状，不同的流动方向，不同的涡街发生体、迎流面宽度与管道直径比r ，其直线的斜率 不同。这样两相斯特罗哈数& 。就可用下面的通用表达式表示： 坠=100一c盯(3-2)st s p “ 式中，一涡街发生体两相斯特罗哈数： 。同一涡街发生体单相流斯特罗哈数； c 0 比例常数，与流动工况、柱体形状尺寸与叩值有关； 口来流截面含气率。 对圆形截面柱体，两相斯特罗哈数& ，与来流截面含气率口呈线性关系，但直线的 斜率与雷诺数r e 有关0 6 ) 。也就是说，在气液两相流中，对圆形截面柱体而言，两相斯 特罗哈数& 。不仅与来流截面含气率口有关，而且与水流量也有关。其原因是由于圆形 截面的柱体，其分离点不像具有锐边的三角形等柱体有一固定的分离点，而是随船数 而变。即便如此，在r 口数一定时，其两相斯特罗哈数& ，也可用式( 3 - 2 ) 表示。 3 ，3 气液两相涡街的稳定性 对单相流体涡街稳定性问题，已有了较多研究，但对气液两相涡街的稳定性问题， 目前，在国内外还是研究的比较少。卡门得出单相流涡街稳定的必要条件为h l = 0 2 8 1 ， 其中h 为涡街间的距离，为同一列旋涡中相邻两个旋涡之间的距离i 翊。对于气液两相 涡街结构参数h l 怎样取值? 与哪些因素有关? 至今国内外还是研究的比较少，下面作 1 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 者对气液两相涡街的稳定性问题进行初步的探讨，介绍当有稳定的气液两相涡街发生 时，气液两相涡街结构参数h l 的取值。 设气液两相涡街间的距离h 用下式表示： h = c l d ( 3 3 ) 式中d 一涡街发生体特征尺寸( 该尺寸为发生体的迎流面宽度) ，m ； 在单相流中，对圆柱形柱体c ；m 1 3 对准等腰三角形柱体q 一1 4 。 仿照单相流研究涡街移动速度的方法，假设气液两相流中，涡街移动速度“，可用 下式表示： “5 c 2 甜。( 3 - 4 ) 式中甜。气液两相混合物流速，r i d s c 2 一系数( 单相流中岛= o 9 2 ) 。 这样，同列旋涡中相邻旋涡之间的距离f 为： i ：埤( 3 5 ) j 式中，气液两相涡街频率，h z 。 由式( 3 3 ) ( 3 5 ) 得： 冬：笪：! 盟：旦( 3 - 6 ) l h t vc 2 u r ac 2 若取c 2 = 0 9 2 ，则式( 3 6 ) 成为： 尝= 1 5 2 2 s t 口 ( 3 7 ) 1 由式( 3 7 ) 可知，在气液两相流中，当有稳定的气液两相涡街发生时，s t 护随来流截 面含气率口而变。所以气液两相流中的稳定性特征参数值h 1 不再像在单相流中是个常 数，而是一个与来流截面含气率、物体形状和大小、混合物流动方向和流速等因素有关 的量【3 s l 。 第4 章测量装置及主要测量设备 第4 章测量装置及主要测量设备 实验测量装置主要由涡街流