（流体力学专业论文）环流反应器内泡状流结构的实验研究.pdf

中文摘要 用热膜测速技术对化工生产中常见的装置环流反应器内的气液两相湍 流进行了实验研究。用i f a 3 0 0 恒温热膜风速仪以高于对应最小湍流时暗j 尺度的 分辨率精细测量了不同工况下，环流反应器内不同空间位置瞬时速度的时间序列 信号。 提出用予波分析自动识别气液两相湍流中泡状流结构的能量最大准则。利用 子波分析对两相湍流脉动速度信号在时域空间和频域空间同时进行分鳞。根掘不 同尺度的子波系数研究气液两相湍流脉动动能随尺度的分布，提池用子波系数多 尺度能谱分析判别泡状流结构的主要特征时间尺度的能量最大准则。 根据能量最大准则，提出利用子波系数自动识别气液两相湍流中泡状流结构 的条件采样方法。提取了泡状流结构的相位平均波形。并对环流反应器内泡状流 结构的发生概率、平坦因子等统计量进行了讨论。对典型泡状流结构产生的机理 进行了分析。 根据环流反应器内的两相速度时问序列信号计算了反应器内的液速和气含 率等重要特征参数。分析了环流反应器内液速和气台率在反应中的实际状况。通 过对环流反应器内液速和气含率的测定，总结出了反应器内气含率和液速的变化 规律。 关键词：热膜测速仪，气液两相流，泡状流，子波分析，能量最大准则，局部 气含率 a b s t r a c t t h eg a s - l i q u i dt w o - p h a s et u r b u l e n tf l o wi nar e f l u xr e a c t o r , w h i c hi su s u a l l yu s e di n c h e m i c a li n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，h a sb e e ns t u d i e db yc o n s t a n t t e m p e r a t u r eh o t f i l m a n e m o m e t e r t h ev e l o c i t yt i m es e q u e n c eo f d i f f e r e n te n g i n e e r i n gc a s e sa n d p l a c e si na r e f l u xr e a c t o rh a sb e e nf i n e l ym e a s u r e db yi f a 3 0 0c o n s t a n t - - t e m p e r a t u r eh o t - f i l m a n _ e m o m e t e rw i t hr e s o l u t i o nh i 荫盯t h a nk o l m o g o r o vs c a l e t h ee n e r g ym a x i m a lc r i t e r i o ni sd e v e l o p e dt oa u t o - d e t e c tb u b b l yf l o ws t r u c t u r e so f g a s r l i q u i dt w o p h a s ef l o wi nar e f l u xr e a c t o r t h ew a v e l e ta n a l y s i si su s e dt op e r f o r m t h es t u d yo fm u l t i s c a l es i m u l t a n e o u sc h a r a c t e r si nt e m p o r a ls p a c ea n dm u l t i - - s c a l e e n e r g ys p e c t r u mc h a r a c t e ro f b u b b l yf l o wi ng a s l i q u i dt w o - p h a s et u r b u l e n tf l o w t h e t e m p o r a ls c a l eo f b u b b l yf l o ws t r u c t u r ei ng a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wi sd e t e r m i n e db y e n e r g ym a x i m a lc r i t e r i o no f t u r b u l e n c ew a v e l e tt r a n s f o r m ac o n d i t i o n a ls a m p l i n gm e t h o di sd e v e l o p e dt oa u t o d e t e c tb u b b l yf l o ws t r u c t u r e so f g a s l i q u i dt w o p h a s e f l o ww i t ht h e e n e r g ym a x i m a lc r i t e r i o n p h a s e d - a v e r a g e e v o l u t i o ns h a p e sf o rm u l t i s c a l ea r ee x t r a c t e df r o mt h ei d e n t i f i e db u b b l yf l o w s t r u c t u r e s ，t h eh a p p e n i n gp r o b a b i l i t ya n df l a t n e s sf a c t o ro f b u b b l yf l o ws t r u c t u r e sa r e s t u d i e d t h eh a p p e n i n gm e c h a n i s mo f t h et y p i c a ls t r u c t u r eo f b u b b l yf l o wi sa n a l y z e d ， s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si ng a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o ws u c ha sf l o wv e l o c i t ya n d g a sh o l d - u pa r ec a l c u l a t e db yt h ev e l o c i t yt i m es e q u e n c e t h ea c t u a ls t a t u so ff l o w v e l o c i t ya n dg a sh o l d u pi nar e f l u xr e a c t o ri sa n a l y z e d t h r o u 【g ht h em e a s u r e m e n t ，a r u l et h a tf l o wv e l o c i t ya n dg a sh o l d u pa r ec h a n g e di sc o n c l u d e d k e yw o r d s ：h o t - f i l ma n e m o m e t e r , g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w ，b u b b l yf l o w , w a v e l e t a n a l y s i s ，e n e r g ym a x i m a lc r i t e r i o n ，l o c a lg a sh o l d - u p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁连盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名时剑 签字f = 期：z 口盯年2 月2 dh 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解。岙壅盘鲎：有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：时釜j 导师签名 签字开期：2 阳歹年工月2 o 日 第一章引言 1 1 两相流问题的提出 1 1 1 两相流及其定义 第一章引言 不同种物质组成的系统中，如果各种物质存在局部宏观分界面，则称之为多 相系统。其中各存在局部宏观分界面的独立物质称之为相。众所周知，自然赛常 见的物质有三相：即固相、液相、和气相。因此，由任意两种存在局部宏观分界 面的独立物质组成的系统都称之为两相系统。例如，水和冰的混合物为一种两相 系统，因为水和冰都是存在局部宏观分界面的独立物质。但是，盐水溶液是一种 单相物体，盐在水中全部溶解形成均匀的流体，在此溶液中盐和水之间无局部宏 观分界面，盐和水不是两种独立存在的物质。 两相系统中如果有一相或两相物质是流体则称为两相流。在两相流中，两相 之间不仅存在局部宏观分界面，而且这分界面是随着流体流动在不断变化的。 因此，两相流可以定义为存在变局部宏观分界面的两种独立物质( 其中至少一种 是流体) 组成的两相系统。气体和固体颗粒混合物的流动为一种两相流动，因为 在此流动系统中不仅存在两种独立物质，而且这两种物质之间的分界面是随流动 而变化的。 根据两相流的定义，可以将两相流大致分为如下3 类：气体和液体共同流动 的气液两相流；气体和固体颗粒共同流动的气固两相流；液体和固体颗粒其同流 动的液固两相流。此外，两种不同组分互不相溶的液体的共同流动也属于两相流 范畴。 气液两楣流根据物质组分的不同又可以分为两种。由同一组分的两种相组成 的气液两相流称为单组分气液两相流，例如由水蒸气和水构成的两相流。由不同 组分的两种相组成的气液两相流称为双组分气液两相流，例如出空气和水构成的 气液两相流。在不发生相变和化学反应的流动过程中，单组分两相流和双组分两 媚流适用同样的物理规律，因而可通称为气液两相流。 根据换热情况的不同，气液两相流还可分为绝热气液两相流和有热交换的气 液两相流。当然存在热交换时，在单组分气液两相流中伴随着流动会发生工质的 相变。 第一牵引言 1 1 2 气液两相流与工程的关系 气液两柏流体的流动工况在动力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工业中 经常遇到。在这些工业的具有热交换的设备中还存在两相流体的传热问题。例如， 在核电站和火力发电站中的各种沸腾管、各式气液混合器、气液分离器、备芎申热 交换器、精馏塔、化学反应设备、各式凝结器以及其他设备中已经广泛存在气液 两相流体的流动问题。因丽，要经济而可靠地研制、设计和运转这些设备必顽具 备气液两相流体在流动方面的基本机理和规律。 气液两相流学科的形成和发展是和工程技术的进展密切相关的。自1 8 世纪 瓦特( w a tt ) 发明蒸汽机以来，困缺乏气液两相流方匠的知识曾经发生过不少工 业事故。气液两相流学科正是在不断总结经验教训、不断进行研究的过程中逐步 形成的。 早先一些蒸汽轮船和蒸汽机车的锅炉爆炸事件促使人们去研究锅炉的水循 环问题。在1 9 世纪术2 0 世纪初，已经有一些论文论述了船用锅炉中的水循环问 题。有的还论及了气液两相流体流动时发生的脉动问题。但总的来说，有关的论 文不多，研究工作还处于启蒙阶段。直到2 0 世纪3 0 年代，根据生产发展的需要， 气液两相流体的流动的研究工作才同盏展开，发表的论文也日渐增多。 在1 9 3 0 1 9 4 0 年期间，发表了些研究气液两相流不稳定性以及锅炉水循环 中气液两相流的流动问题的经典性文献。当时研究的参数一般都在中压以下。 1 9 4 0 - 1 9 5 0 年期间，不仅对双组分气液两相流的流动阻力等问题进行了研究，而 且还将研究工作深入到具有热交换的单组分气液两相流领域。研究参数也逐渐趋 向高压。 1 9 5 0 年以后，由于工业技术的飞速发展，例如，动力工业中高温、高压参数 的引入和宇航j ：业以及商用核电站的开始发展，促使气液两相流的研究工作进一 步展丌。1 9 5 0 1 9 6 0 年期间，直流锅炉开始采用。在这种锅炉的蒸发管中，进口 工质为其有欠热的单相液体，出口工质为干度为1 0 的干饱和蒸汽或过热蒸汽， 因而其中的流动工况与换热和一般自然循环锅炉蒸发管中的低干度蒸汽流动工 况与换热工况大不相同。在直流锅炉的高干度蒸发管中会发生传热恶化和管予烧 损现象。此外，在核反应堆中的热负荷要比锅炉中的高几倍到几十倍，为了避免 换热面烧损也必须深入研究高干度、高热负荷下的具有热交换的气液两相流问 题。因而，对当时的工程实际丽耋，只考虑整根蒸发管中气液两相流的平均特性 已经不能满足丁i 程发展的需要，必须掌握更详细的关于气液两相流体的流动结构 以及整个干度范围内的传热特性知谀以推动工业的发展。所以在此期间对于气液 两相流的流动结构形式问题进行了较为深入的研究。每年发表的有关论文达到 5 0 0 篇左右。研究参数也进入高压、超高压乃至超临界压力。 第一章引言 近5 0 年咀来，美、苏、英等： 业发达国家建立了一系列功率为兆瓦级的试 验台。不少试验都能用实物在运行压力下进行。同时，对气液丽相漉也进行了不 少较为深入的理论分析。对于气液两相流体的流动和传热机理、流动结构形式及 其影响因素、流动时相的分布及摩擦阻力计算、流动时的动态不稳定性及沸腾传 热和强化传热等问题都作了广泛地研究和分析，并得出了许多计算式。总结气液 两相流和传热的各种研究成果的专著也大量出版。这标志着气液两相流已经发展 到了一个新的阶段，一个逐步形成一门新学科的阶段。 近3 0 年来发生的核电站事故，例如，美国三里岛核电站事故，促使各主要 ：业国家对与核反应堆安全问题有密切关系的核反应堆的热力、水力状况进行了 大量研究工作。主要工作为应用计算机进行预报计算。编写了大量计算机程序估 算核反应堆正常运行及发生事故时的热力及水力工况。与此同时，也进行了少量 大规模试验以资校核。在其它工业领域中，对于气液两相流动和传热的研究工作 都在向着增加研究参数、扩大研究范围和进行一些全尺寸部件试验的方向努力。 对于管束中的流动结构形式和流动阻力的研究也在增多，以适应沸热锅炉、重沸 器、列管式蒸发器以及其他的热交换设备发展的需要。同时，为利用海洋热能而 设计的各种锅炉和凝结器也需要气液两相流方面的资料。随着人们对节能以及积 极开发新能源问题的日益重视，气液两稻流的研究工作将得到进一步发展。 由上可见，气液两相流学科的进展与工业的发展是密切相关的。工业的发展 不断向气液两相流研究提出了新的课题。而气液两楣流韵研究工作钓进展又迸一 步促进了工业的发展。总的说来，气液两相流的研究历史不是太长，它是流体力 学门大有发展前途的分支学科。 在气液两相流动中，气液两相的流动速度是不一样的。在流动时气液两相的 流动结构有是多种多样的，而且是带有随机牲豹。因两要全面丽准确地撼述气液 两相流体的流动状况是相当困难的。但是，经过研究可以初步得到一些关于流动 结构和流动状况的结果。 1 1 3 问题的提出 气液两相流在化工生产中是十分常见的流动现象。测定气液两相流中的流动 参数具有重要意义。例如在蒸馏塔板上，气液两相的流动特性对它的分离效率有 很大的影响：在环流反应器内，气液两相的流动情况直接决定了反应器内的反应 效果。测定环流反应器内的流动参数，对于反应器的设计、放大以及了解反应器 内的反应情况，都具有重要的理论和指导意义。 在气液两相流动的实验测量中，困难但非常关键的一点是要区分开不同的 相。要正确地反映出流场的实际状况，首先必须要准确识别出两相流中的相及其 第一章引著 近5 0 年以来，美、苏、英等工业发达国家建立了系列功率为兆瓦级的试 验台。不少试验都能用实物在运行压力f 进行。同时，对气液两相流也进行丁不 少较为深入的理论分析。对于气液两相流体的流动和传热机理、流动结构形式及 其影响因素、流动时相的分布及摩擦阻力计算、流动时的动态不稳定性及沸腾传 热和强化传热等问题都作了广泛地研究和分析，并得出了许多计算式。总结气液 阿相流和传热的各种研究成果的专著也大量出版。这标志着气液两搁流已经发展 到了一个新的阶段，个逐步形成一门新学科的阶段。 近3 0 年束发生的核电站事故例如，美圜三里岛核电站事故，促使各主耍 工业国家对与核反应堆安全问题有密切关系的核反应堆的热力、水力状犹进行了r 大量研究工作。主要工作为应用计算机进行预报计算。编写了大量计算机程序估 算核反应堆f 常运行及发生事故时的热力及水力工况。与此同时，也进行了少量 大规模试验以资校拔。在其它工业领域中，对于气液两相流动和传热的研究工作 部在向着增加研究参数、扩大研究范围和进行一些全尺寸部件试验的方向努力。 对于管柬中的流动结构形式和流动阻力的研究也在增多，以适应沸热锅炉、熏沸 器、列管式蒸发器以及其他的热交换设备发展的需要，同时，为利用海洋热能而 设计的备种锅炉和凝结器也需要气液两相流方面的资料。随着人们对节能以及积 极开发新能源问题的日益重视，气液两相流的研究工作将得到进一步发展。 由上可见，气液两相流学科的进展与工业的发展是密切相关的。工业的发展 不断向气液两相流研究提出了新的课题，而气滚两相流的研究工作的进展又进一 步促进了工业的发展。总的说来，气液两相流的研究历史不是太长，它是流体力 学一f 大有发展前途的分支学科。 在气液两相流动中，气液两相的流动速度是不一样的。在流动时气液两相的 流动结构有是多种多样的，而且是带有随机性的。因而要全面而准确地描述气液 两相流体的流动状况是相当困难的。但是，经过研究可以初步得到一些关于流动 结构和流动状况的结果。 1 1 3 问题的提出 气液两相流在化工生产中是十分常见的流动现象。测定气液两相流中的流动 参数具有重要意义。例如在蒸馏蟮扳上，气液两相的流动特性对它的分离效率有 很大的影响；在环流反应器内，气液两相的流动情况直接决定了反应器内的反应 效果。测定环流反应器内的流动参数，对于反应器的设计、放大以及了解反应器 内的反应情况，都具有重要的理论和指导意义。 在气液两相流动的实验测量中，困难但非常关键的一点是要区分开不同的 相。要正确地反映出流场的实际状况，首先必须要准确识别出两相流中的柏及其 相。要正确地反映出流场的实际状况，首先必须要准确识别出两相流中的柏及其 第一章引言 结构。本文主要讨论的就是在环流反应器内，气液两相流中气泡结构的识别及其 在两相流动中的动力学特性。 1 2 气泡识别方面主要进展 目前有两类依靠计算机的方法用于识别仪器输出的两相信号。一类是概率 法，是根据对输出电压信号进行统计的结果来区分；另一类是闽值法，是根据两 相信号不同的特征，对采集的全部信号逐一分析，控制阙值来划分两相信号。 1 2 1 用概率法进行气液两梧分离 概率法的原理是对测得信号进行统计，得到电压概率分布如图卜l l 所示。 在图上有两个峰值，其中电压较低的峰值为气相信号，电压较高的为液相信号。 图1 - i - 1( a ) 表示了等人r e s c h 提出的一种区分气液两相的方法。他们利用 照相和示波器相结合，发现气泡经过探头时，电压信号的下降和上升段应属于气 相贡献，那么在图中的电压e 。至e ，间高为| v 。的电压平台部分是由气相产生， 他们认为这种影响一直持续到流场所产生的最大电压信号。s e r i z a w a 。1 对垂直管 中泡状流的湍流结构进行了研究，他也是得到测速仪输出信号的电压谱，将频率 谱的两个峰值区分为两相。但不同学者对两棚划分界线，即对阴影部分的划分有 不同的看法。h e r r i n g e 和d a v i s 用圆柱形热膜及圆锥形热膜做了类似的实验， 他们认为两相的划分应该沿切线a t 进行，如图卜卜1 ( b ) 。同时使用概率法划 分两相信号有一定的局限性。图1 1 - 1 中所测定的流场基本上都是两相流速相差 不大，两相信号电压值相差比较多的情形。但对于气速很大，两相信号电压值相 差比较小的流场，两相信号所形成的峰值之间没有明恩的平坦段，用这种方法便 不容易准确的划分出两相信号的分界线。 ( a ) r e s c h 的两相划分方法( b ) h e r r i n g e 和d a v i s 的两相划分方法 第一章引言 图卜】- i 信号电压概率圈 1 。2 2 用阈值法进行气液两相分离 lj u 3 1 1 43 在垂直管泡状流的研究中，提出了用信号电压闽值和信号电压的斜率 闽值来进行相鉴别。图卜1 - 2 为l i u 所测得电压信号曲线及气液硒相划分方法。 o抽 t d钾聃o o ；2 4 t i m c z lr 知i o ) ( j 图卜1 - 2l i u 的典型采样信号和相鉴别结果 在气液两相流中，由于气相比液相的热耗散小，因而当气泡通过热膜探针时， 将使热膜测速仪输出信号产生一个向下的脉冲，两个脉冲之间的曲线则是热膜探 针接触液相时输出的信号。l i u 将气泡与探头相互作用的整个过程通过8 个算法 规则来约束，在每一个算法中将电压和电压斜率阉值相结合来区分气相和液相。 算法如下： 首先定义以下参数： t = 电压闽值；s = 斜率阈值；rf = 第f 个数据样电压：只= 碍一置一l ( 后向斜 率) ：p j ：r ；一r 。( 前向斜率) ；民= 1r1 ，r ，= 1b 假如足 t ，且满足下面8 个条件中的任何一条件，则当前的r ；是液相数据， 存起来以后做处理，否则删豫。8 个条件如下： a 如果至少有两个液体数据点位于2 个相邻的气泡之间： 心 s 和跫， t 且只 s 丽且r f s ( 探针离开气泡进入液体) 。 假如因气泡接近探针引起曲线畸变： , o r o ，r b s 和r ， t 且一 o ，圪 s 和r i 2 s 且只 s ； 只 s且只 2 s ； r i t 且r + ， 3 ，则设置一个较高的门限值 o ，寻找氍( a , b i ) ( 一且使子波系数 睨( a ，6 ) 达到局部极小值的点f = 戽及睨( a ，b ，) 且使予波系数峨( n ，6 ) 达到 局部极大值的点持6 ，将f = 包到f = 6 ，之间的子波系数吃( “，6 ) 全部置为零，同 时截耿岛到6 ，之帕j 的瞬时速度信号“( 岛) “( 岛