（热能工程专业论文）气液两相弹状流在摇摆条件下的运动特性研究.pdf

9 + 一己 f c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o n f o rt h ed e g r e eo fm e n g i n v e s t i g a t i o n so f f l o wc h a r a c t e r i s t i c sf o r t w o - p h a s es l u gf l o w u n d e r r o l l i n g c o n d i t i o n c a n d i d a t e ：w a n gh o n g y a n s u p e r vis o r ：p r o f y a nc h a n g qi a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：t h e r m a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 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 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：王粥碰 日期：加io 年3 月r 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 酣在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：王鹚礁导师( 签字) ：f 氮凸磁 ， 7 日期： 7 0 l o 年弓月g 日2 矿fd 年；月y 日 哈尔滨f ：稃人学硕十学何论文 摘要 本文对摇摆和非摇摆条件下竖直管内滞止和流动液体内弹状气泡的运 动特性进行了实验研究。 在非摇摆条件下对滞止液体内弹状气泡的运动规律与压差波动曲线的 关系进行了解释说明，分析了入口压力变化对弹状气泡上升速度的影响； 在流动状态下，分析了液体流量和气体流量对弹状气泡上升速度的影响。 在摇摆条件下，分析了摇摆条件对滞止及流动液体内弹状气泡上升速度的 影响。 结果表明，非摇摆条件下滞止液体内弹状气泡的上升速度不受入口压 力大小的影响；在流动状态下，弹状气泡上升速度随气液两相混合流速的 增加而增大。摇摆状态下滞止液体内气弹上升速度大于非摇摆条件下滞止 液体内气弹上升速度；在流动状态下，弹状气泡在流动液体内上升过程中 的平均速度与气液混合速度呈线性关系。 在实验研究的基础上，给出非摇摆条件下，滞止液体内弹状气泡上升 速度关系式和流动液体内弹状气泡上升速度关系式，并与传统经验公式进 行了对比，发现与经验公式拟合较好。在摇摆条件下，给出弹状气泡在滞 止液体内的平均上升速度关系式及弹状气泡在流动液体内的平均上升速度 关系式。并与实验值进行了对比，计算值与实验值符合较好。另外，给出 摇摆条件下弹状流平均空泡份额计算式，并与实验值进行对比，发现该计 算式能够很好地预测摇摆状态下弹状流平均空泡份额。 关键词：摇摆条件；弹状气泡；滞止液体；流动液体；运动特性 哈尔滨i ：群人学硕十学何论文 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha b o u tt h es l u gf l o wc h a r a c t e r i s t i c si ns t a g n a n t a n df l o w i n gl i q u i dt h r o u g hv e r t i c a lt u b eu n d e rs t e a d ya n dr o l l i n gs t a t ew e r e c a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o nb e t w e e nt h es l u gf l o wa n dt h eg e n e r a lt r e n do fp r e s s u r e s i g n a lc u r ei ns t a g n a n tl i q u i du n d e rs t e a d ys t a t ew a se x p l a i n e d ，a n dt h ei m p a c t o ft h ee n t r a n c ep r e s s u r eo nt h es l u gb u b b l er i s ev e l o c i t yw a sa n a l y z e d b e s i d e s ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n tw a t e ra n dg a sf l o wr a t eo ns l u gb u b b l er i s i n g v e l o c i t yi nt h ef l o w i n gl i q u i du n d e rs t e a d ys t a t ew a sa n a l y z e d a n dt h es l u g b u b b l er i s i n gv e l o c i t yi ns t a g n a n ta n df l o w i n gl i q u i du n d e rr o l l i n gs t a t ew a s a n a l y z e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a ，i tw a sf o u n dt h a t ，t h ed i f f e r e n t e n t r a n c ep r e s s u r ed i dn o ta f f e c tt h es l u gb u b b l es p e e di nt h es t a g n a n tl i q u i d u n d e rs t e a d ys t a t e ，a n dt h ei n c r e a s eo fs l u gb u b b l er i s ev e l o c i t ym a i n l yd e p e n d s o nt h ei n c r e a s eo ft h eg a s l i q u i dt w o - - p h a s em i x t u r ev e l o c i t yi nf l o w i n gl i q u i d u n d e rs t e a d ys t a t e t h es l u gb u b b l er i s ev e l o c i t yi nt h es t a g n a n tl i q u i du n d e r r o l l i n gs t a t ei sl a r g e rt h a ni ti nt h es t a g n a n tl i q u i du n d e rs t e a d ys t a t e m o r e o v e r , t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea v e r a g eb u b b l er i s ev e l o c i t ya n dg a s - l i q u i d t w o - p h a s em i x t u r ev e l o c i t yi sal i n e a rf u n c t i o n b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h es l u gb u b b l ev e l o c i t ye x p r e s s i o nw a s g i v e ni ns t a g n a n ta n df l o w i n gl i q u i du n d e rs t e a d ys t a t e ，w h i c hf i tt h ee m p i r i c a l ， f o r m u l aw e l lb yc o n t r a s t i n g m o r e o v e r , t h es l u gb u b b l ea v e r a g ev e l o c i t y e x p r e s s i o n i nt h es t a g n a n ta n df l o w i n gl i q u i du n d e rr o l l i n gs t a t ew a s 1 g i v e n a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a b e s i d e s ，t h ea v e r a g ev o i df r a c t i o nc o r r e l a t i o no fs l u gf l o wi sf i t t e d b y c o m p a r i n gt h ea v e r a g ev o i df r a c t i o nc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t ao fs l u g - 哈尔滨l ：稃人学硕十学何论文 f l o w , i ti sf o u n dt h a t ，t h i sc o r r e l a t i o nc a nw e l lp r e d i c tt h ea v e r a g ev o i df r a c t i o n o fs l u gf l o ww e l lu n d e rr o l l i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s ：r o l l i n gc o n d i t i o n ；t a y l o rb u b b l e ；s t a g n a n tl i q u i d ；f l o w i n gl i q u i d ； f l o wc h a r a c t e r i s t i c s 哈尔滨f ：稃人学硕十学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义l 1 2 国内外研究状况和发展动态2 1 2 1 弹状气泡在水平管路中运动特性的研究现状2 1 2 2 弹状气泡在竖直、倾斜管路中运动特性的研究现状3 1 3 本论文的主要工作9 第2 章实验装置与实验方法1 1 2 1 实验装置1 1 2 2 摇摆台1 2 2 3 实验测量与记录1 4 2 3 1 单头电导探针的制作工艺及测量原理1 5 2 3 2 摄像机测量弹状气泡上升速度的方法1 7 2 4 实验过程与方法1 8 2 4 1 实验过程1 8 2 4 2 实验方法1 9 2 5 空泡份额的测量2 1 2 6 误差分析2 2 2 7 实验中需要注意的问题2 4 2 8 本章小结2 4 第3 章非摇摆条件下竖直管内滞止与流动液体中弹状气泡运动特性分析 2 5 3 1 非摇摆条件下滞止液体内弹状气泡运动特性分析2 5 3 1 1 实验现象及压差波动特性分析2 5 3 1 2 滞止液体中弹状气泡上升速度与经验公式对比3 0 3 2 非摇摆条件下流动液体中弹状气泡运动特性分析3 3 3 2 i 实验现象及压差波动分析3 3 3 2 2 气体流量及液体流量对气弹上升速度的影响3 5 3 2 3 流动液体中气弹上升速度3 6 哈尔滨丁稃大学硕十学1 _ 奇：论文 3 3 本章小结3 9 第4 章摇摆条件下弹状气泡运动特性分析4 0 4 1 摇摆条件下滞止液体中弹状气泡运动特性分析4 0 4 1 1 实验现象及压差波动曲线分析4 0 4 1 2 摇摆条件下弹状气泡在滞止液体中的运动规律分析4 3 4 2 摇摆条件下流动液体中弹状气泡运动特性分析4 7 4 2 1 实验现象4 7 4 2 2 摇摆条件下单相流动液体的示踪剂实验4 7 4 2 3 摇摆条件下流动液体中弹状气泡运动特性分析5 0 4 3 本章小结5 9 第5 章摇摆条件下弹状流单元物理模型及空泡份额的计算6 l 5 1 弹状流单元物理模型6 l 5 2 摇摆条件下弹状流平均截面含气率6 6 5 3 本章小结7 0 结论7 1 参考文献7 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 8 致谢7 9 哈尔滨丁稗大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 本课题来源于国家教育部博士点新教师基金资助项目。 ( n o ：2 0 0 7 0 2 1 7 0 5 3 ) 气液两相流广泛存在于一些动力设备中，如锅炉和核反应堆堆芯的冷却 系统等 卜2 1 。同样在其他领域也涉及两相流动问题，如石油工程中的油气混 输管道f 2 1 ，航天工程中空间飞行器【3 4 1 等。在气液两相流中，弹状流是其中最 为典型的流型之一，它广泛存在于各种工业系统，此流型的特点是气相和液 相交替产生，流动具有间歇性和震荡性。 对于垂直上升管内的弹状流来说，其主要特征是t a y l o r 气泡间歇地出现。 从总体上来说，t a y l o r 气泡呈子弹形状，几乎占据了整个管道的横截面，头 部比较圆，而底面相对来说就比较平。在t a y l o r 气泡与管壁之间是一层较薄 的下降液膜，两个连续t a y l o r 气泡之间是充满小气泡的液弹段，同t a y l o r 气泡 一起上升。由于弹状流具有间歇流动的特性，因此引起进入下游的液体流量 和气体流量也发生非周期性变化，这样可造成管道压力以及沿管道的压降发 生非周期性的升高和回落，从而可能影响上游的输送设备的安全稳定运行： 同时管路也将承受很大的间歇性应力冲击，使管路自身的安全性受到影响。 对于核动力装置中的蒸汽发生器以及其他一些热工设备而言，弹状气泡的存 在一方面会使得流动的传热特性和阻力特性发生变化，另一方面，弹状流的 间歇震荡性会加速传热管道的疲劳损伤，导致传热管使用寿命缩短。在一些 工程实际中会遇到很多设备管道在摇摆状态下工作的情况，例如，船舶在海 洋中航行的时候会产生摇摆，航空航天器在太空中会产生摆动。在这些情况 下，存在于这些设备管道中的弹状流流动特性就会发生变化，因为气液两相 的密度不同，摇摆引起的附加惯性力对气相和液相的作用力也不相同，这样 会导致弹状流在摇摆状态下的气液界面结构，流动特性和传热特性与非摇摆 1 哈尔滨i j 科人学硕十学何论文 环境中有很大的差别。因此开展海洋条件下弹状流流动特性的研究是十分有 必要的。对工程应用和多相流学科的发展具有十分重要的工程应用和学术价 值。 1 2 国内外研究状况和发展动态 鉴于摇摆因素的复杂性，本文仅考虑竖直圆管内弹状流在横摇状态下的 流动特性。考虑到竖直管道在横摇过程中会经历竖直、倾斜两种状态，因此， 有必要借鉴静止状态下水平管，竖直管以及倾斜管内两相流动的研究成果。 下面就国内外对两相流中弹状气泡在水平管和竖直管以及倾斜管路中运动 状态的研究情况和发展现状作一介绍。 1 2 1 弹状气泡在水平管路中运动特性的研究现状 从2 0 世纪初，世界各国学者就开展了石油工业油气多相流动的研究。随 着油气田的大规模开发和多相混输技术需求的进一步增强，促使这一技术得 到迅速的发展。随着人类科技的不断进步，船舶制造业、核电技术的不断发 展，对多相流动研究不断加深。由于弹状流动是多相混输中最常见流型，对 管路及设备的危害最大，因此对弹状流的研究最为广泛和深入。研究领域涉 及到弹状流形成机理，弹状流和其他流型转变界限，弹状流特征参数( 如液 弹长度、弹状流频率、液弹速度) 影响因素及预测模型，弹状流压力降预测 模型，截面含气率等多个方面。从研究方法上看，一是在实验室模拟管道或 工业管道上进行实验研究，另外就是建立弹状流的数学模型、通过数值计算 的方法在计算机上进行模拟研究。 对弹状流的研究首先是从水平管路气液两相弹状流动上开始的，水平管 内气液两相弹状流最显著的特征是一长气泡和一液弹随时间和空间间隔出 现，而这种间歇性又是非周期的，处理这一间歇性最常用的简化方法是 w a l l i s ( 1 9 6 9 ) 5 】首先提出的等效弹单元的思想：即把复杂的气液间歇结构简化 成一个长气泡和一个液弹的等效单元体。对于充分发展的弹状流，长气泡和 2 t 哈尔滨i ：科人学硕+ 学何论文 液弹是交替出现的。因此可以把弹状流的流动结构简化为一个等效弹单元， 它由一个含有分散小气泡的液弹和一个与管子倾角有关的具有分层或者环 状结构的长气泡区域组成，然后着重研究一个弹单元的流动结构和水动力特 性，进而推广到整个弹状流。 对弹状流建模作了开创性工作的也是w a l l i s 卯。1 9 7 5 年，d u k l e r 和 h u b b a r d 6 】在w a l l i s 研究的基础上发展了水平管弹状流的“单元体模型”。这种 方法的前提条件是：弹状流可以被看作以恒定的平移速度运动的连续弹单 元，长气泡区域内两相之间的相对滑移速度可以忽略。液膜区域内不含有分 散的小气泡。在此模型中，液弹的长度、弹单元平移速度以及液弹内部的平 均持液率可以通过实验关系式进行确定，弹单元的长度和压力降可通过质量 守恒方程计算得出。这一模型后来i 土l n i c h o l s o n 7 等人作了进一步的完善和发 展。 在水平管内气液两相弹状流的流动特性中，针对液弹稳定长度的研究最 为广泛。大多数学者认为，水平管内平均液弹长度与各相流量的关系相对不 敏感，而主要与管径有关，稳定液弹的平均长度大约为2 0 d ( d 为管道内径) 。 另外，还有一些学者根据实验结果发展建立了液弹长度预测模型。女1 d u k l e r 等【8 】通过求解两壁面间平行流的边界层方程来确定稳定液弹长度。结果表 明，对于水平管，稳定液弹长度在2 0 d 之间，与相关研究者的实验比较相符。 b a m e a 【9 】等提出了液弹分布预测模型。利用该模型得到：在小混合速度下( 小 于0 2 6 m s ) ，稳定液弹长度为1 0 d ；而在较大的混合速度下，比如两相混合速 度大于1 5 m s 时，稳定液弹长度增大为1 5 d 。 1 2 2 弹状气泡在竖直、倾斜管路中运动特性的研究现状 由于竖直管弹状流在工业应用中的重要地位，各国学者对竖直管内弹状 流的运动特性已经做了非常多的研究，但是对其形成机理还没有统一的认 识。有些学者认为气体流量的增大造成气泡逐渐合并，最后形成弹状流；有 些学者认为是因为空隙率波的不稳定性导致气泡突然合并，形成弹状流。 3 哈尔滨t 干旱大学硕十学付论文 王跃社等( 2 0 0 1 ) t 】对竖直管弹状流的形成和发展进行了实验研究。该研 究利用高速动态分析仪优良的可视化特性，将w e i s m a n 针对水平管流型转化 提出的转化过渡区的概念引入到竖直管多相流流型转化的研究中来，并首次 量化出转化过渡区的上、下边界。研究发现其形成过程如下：将少量气体以 低速引入运动的液体中时，气相被弥散成小气泡，此时流态是泡状流；随着 气体流量增加，液体中气泡密度也急剧增大，当气泡尺寸大于临界尺寸( 在 低压空气水系统中为1 5 m m ) 时，气泡开始聚集合并，原有的泡状流流型 开始发生变化；当圆顶状气泡形成时，其尾迹的卷吸作用使得后续气泡相对 速度提高，碰撞也不断加剧气泡形状和轨迹变得杂乱无章，这时流动由泡状 流向弹状流过渡转化，直至表征弹状流的弹状t a y l o r 气泡形成，整个气泡合 并过程趋于终止，弹状流形成。 m o i s s i s ( 1 9 6 2 ) t h 】认为：由于小气泡之间的碰撞导致了气泡合并，最终形 成了直径与管径相似的大气泡，从而形成了弹状流。泡状流只是一个过渡流 型它给予小气泡足够的碰撞时间，最后发展成弹状流。 t a i t e l ( 1 9 8 0 ) 眨】也认为气泡的逐渐合并是弹状流的形成机理，但他们认 为如果气泡合并和气泡破裂由于流体的脉动而达到平衡的话，分散泡状流可 以保持下去。k a p t e y n ( 1 9 8 9 ) b 】测量了泡状流的气泡尺寸和个数，发现这两个 参数在实验管道顶部和底部并没有区别，因此认为气泡的破裂和合并不是弹 状流形成的机理。c h e n g 等( 1 9 9 8 ) 【h 】对泡状流到弹状流的转换做了进一步的 研究。他们发现：传统的弹状流在1 5 0 m m 管径中不会出现，随着气体流量的 增加，泡状流会逐渐过渡到块状流动。 孙宝江等( 2 0 0 0 ) t ”】对大管径内的流型转换机理进行了研究，他们从空隙 率波的不稳定性出发，揭示了泡状流中t a y l o r 气泡的形成机理。同时，对空 隙率波增长率曲线的测量和分析表明：空隙率波对一定频率的扰动具有最大 增长率，因而具有最大增长率的空隙率波的频率成分在泡状流中迅速增长， 并在管中形成越来越强的疏密波，使大量气泡准周期性地集中在空隙率波的 波峰，并形成聚并；因此弹状流中t a y l o r 泡的形成并非是逐个气泡碰并的渐 4 哈尔滨t 稗大学硕+ 学付论文 变过程，而是在流型转换过程中由空隙率波驱动的瞬变过程。 在弹状流中，大部分气体存在于t a y l o r 气泡内，其运动速度是描述气液 弹状流流动特性的一个重要参数，因此，对于t a y l o r 气泡运动速度的研究具 有非常重要的意义。m o i s s i s 等( 1 9 6 2 ) i l l 】测量了固定塑料“气泡”尾流区的速度 曲线，模型的不足之处是塑料模型的固定边界不能代替气泡的自由界面。除 此之外，实验中的流动状况与气泡在真实弹状流中相对管壁的运动不同。 n a k o r y a k o v 等( 1 9 8 9 ) 1 6 】利用电气化学探针对竖直管流体中的瞬时速度曲线 进行了更广泛的研究，得到了轴向和径向速度曲线。他们发现t a y l o r 气泡后 面混合区的矢量环对弹状流的流体结构影响非常大。s h e m e r 等 1 9 8 7 ) 。7 】利用 氢泡技术对竖直管弹状流中t a y l o r 气泡后面的速度场进行了可视化研究。他 们认为液塞中存在2 个区：一个是环状流进入液弹的混合区，另一个是速度 完全发展的区域。 k a w a j i 等( 1 9 9 7 ) t 婚】利用p d a ( p h o t o c l l r o m i cd y ea c t i v a t i o n ，对光反应染色 激活) 技术和v o f ( v 0 1 u m eo f f l u i d ) 方法对竖直管中气液弹状流的结构进行了 实验研究。他们发现，当t a y l o r 气泡向侧向运动时，阻力会降低，这对于解 释t a y l o r 气泡在垂直弹状流中加速合并很重要。 n i g m a t u h n 等( 1 9 9 7 ) 1 9 】利用静态图片和录像胶卷对竖直向下弹状流 t a y l o r 气泡的形状进行了研究。他们发现气泡波动的振幅与气泡长度成反比， 并且对于长气泡，只有在气泡底部才能看到波动出现；气泡底部界面的稳定 性也与气泡长度有关，气泡越长，气泡底部越不稳定。 b u g g - 等( 1 9 9 8 ) 2 0 对竖直管t a y l o r 气泡在滞止液体中的上升进行了数 值模拟。他们证实了对t a y l o r 气泡上升的几个重要特征进行数值模拟的可行 性。该模型可以很好地预测气泡速度、液膜厚度和液膜平均速度。p l o n s k y 等 1 9 9 9 ) 2 l 】利用数字图像处理技术对单个t a y l o r 气泡的运动进行了详细的研 究，得至u t a y l o r 气泡的水力参数，如气泡形状、气泡尖部和底部的速度以及 由于水力压力梯度造成的气泡延长等。他们发现，气泡底部做着准周期的摆 动。他们对各种流动工况下的摆动频率进行了测量，同时，还把人们所接受 5 哈尔滨t 稗人学硕+ 学何论文 的滑脱系数的值与气泡f i 面的速度曲线形状有关这一假设推广到入口区域 未完全发展的弹状流中，得到了气泡外形和由于压缩性气泡长度对气泡传输 速度的影响。p l o n s k y 等( 1 9 9 9 ) t 2 2 】对t a y l o r 气泡的运动和它前面的速度场之间 的关系做了研究，结果表i 到q t a y l o r 气泡的传输速度与它前面液体的最大局部 速度有关。 夏国栋等( 2 0 0 0 ) t 2 3 】利用势流理论对竖直管上升弹状流中t a y l o r 气泡的上 升速度进行了研究，给出了液体速度分布对气泡上升速度的影响，导出了气 泡头部运动方程，提出了液体流动为层流和紊流时气泡上升速度的表达式。 模拟结果与实验数据的对比表明：当表面张力影响较小时，用一级近似可以 较好地描述液体速度分布对t a y l o r 气泡上升速度的影响。同时，他们还选用 数值计算模型对竖直管滞止液体q b t a y l o r 气泡在比较宽广的物性参数范围内 进行了模拟，研究了物性对t a y l o r 气泡的头部形状、下降液膜厚度、气泡尾 部形态和气泡上升速度的影响。 h o u t 等( 2 0 0 2 ) 2 4 1 利用粒子图像测速仪( p i v ) 对滞止液体中由于t a y l o r 气 泡向上运动而引起的速度场进行了实验研究。他们测量了气泡前部、液膜中 和尾流区的速度场。研究发现：气泡运动对它前面液体的影响限制在 x d o 5 ( x 为轴向距离) 。正像t a l v y 等( 2 0 0 0 ) 2 5 所指出的那样，对于t a y l o r 气泡 尾流区瞬时和平均速度场的分析使我们对后一气泡在前面气泡尾流区中的 传播更为清楚。 b u g g 等( 2 0 0 2 ) 【2 6 】对黏性流体q b t a y l o r 气泡周围的速度场进行了数值计 算和实验研究。在下降液膜的下部，速度曲线外形和黏性下降液膜理论的分 析结果吻合得较好。同时，尾流区也表现出了层流的规律性和重复性，气泡 对于它周围滞止液体的影响非常有限。在气泡前部d 3 处，液体的速度降到 不足气体速度的5 。在气泡尾部0 7 7 d 处，尾流区的速度降低到气泡速度的 l o 。 对于滞止液体竖直管内的弹状气泡，其上升的动力主要是浮力。但是在 流动状态下，则气弹所受的力除了浮力外还有液体的惯性力、粘滞力和表面 6 哈尔滨1 ：拌人学硕十学何论文 张力。分析浮力与这三个力之间的平衡与三个无量纲数有关，这三个无量纲 数就是f r o u d e 数，f r o u d e 数的平方与r e y n o l d s 数的比值，还有e o t v o s 或称为 b o n d 数( 与表面张力成反比) 。w a l l i s 5 1 对此进行了分析，并给出了这三个无 量纲数的表达式。 解释惯性力的无量纲准则数f r o u d e 数给出的表达式为： u r 2 研 表达粘性力的粘性准则数的表达式为： n u = 万西u 习h 表达表面张力的e o t v o s 数表达式为： 岛：划 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 在滞止的水中，t a y o r 气泡的上升速度通常用f r o u d e 数来表达，等式( 1 - 1 ) 中，空气的密度相对于水来说可以忽略不计，因此等式( 1 1 ) 可以简化为： u f r 2 研。( g d ) n 5 ( 1 - 4 ) 在水平和垂直管路中，假定理想流体( 无粘性) ，可以忽略表面张力的 条件下，已经被公认的f r o u d e 数的大小分别为：厅= 0 3 5 1 ( 竖直) ，f r = o 5 4 2 ( 水平) 。倾斜管路条件下，b e n d i k s e n ( 1 9 8 4 ) 3 3 1 认为在有倾角影响的条件下 可表示为： f r = rc o s f l + es i n f l( 1 5 ) 流动条件下弹状气泡的运动速度与滞止条件下的气弹上行速度明显不 7 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 同，大量的实验结果和现场数据表明，在管径、流率和流体物性的很宽的范 围内，气弹运动速度u ( t a y l o y 气泡平移速度) 和气液两相混合速度成线性 关系： u = c o u 。+ u o ( 1 6 ) 式中，u 。= 以+ l ，以和以分别为气相和液相的折算速度。 对于c o 和的值，不同学者的研究结果并不相同。例如：1 9 6 5 年 h u b b a r d 2 7 1 根据自己的实验结果认为c o = 1 2 5 ，g r e g o r y 年 h s c o t 2 8 1 对二氧化 碳水两相混合物液弹速度的研究表明：c o = 1 3 5 。k v e r n v o l d 2 9 1 等研究了气 液两相弹状流液弹速度沿管长以及在液膜内的分布规律，提出了一个类似于 g r e g o r y 年- i s c o t 2 8 1 的液弹速度公式，但是c o = 1 5 2 。 1 9 8 9 年b r a n d t 和f u h s 3 0 1 根据在挪威的s i n t e f 两相流实验台上管径为 1 8 9 m m 、高压情况下得出的数据，分析得出： 当5 0 m $ ，c o = 1 0 5 u 0 2 0 7 5m s( 1 - 7 ) 5 0 m s ，c o = 1 2 0 u 0 2 0 m s ( 1 - 8 ) 根据工程实际应用需求，弹状流动特性研究范围拓展到倾斜或其它流动 条件下。 a n d r e u s s i 3 1 1 和d u k l e r t 3 2 1 等给出了微倾斜管路中弹状流模型，对弹状流动 的压力降和含气率等进行了预测。m a r t i nc o o k 3 3 】等在接近于水平管道的上 升和下降管路上，对气液两相流中液弹长度沿管路的分布情况进行了统计分 析，并在假设液弹在管子入口随机分布的基础上建立了预测液弹沿管路的长 度分布模型。 yt a i t e l 3 4 1 对大倾角下的两相流起伏管路进行了研究，提出在大倾角下 可以忽略液弹摩擦压降的影响而只有液弹重力的作用，并在此基础上提出了 8 哈尔滨r = 程人学硕十学传论文 适用于此情况下的弹状流模型。g z h e n g l ”】研究了不同倾角起伏管路上弹状 流液弹长度的变化。研究发现在起伏管路的下凹的转弯处，会产生新的液弹， 而在上凸的转弯处，液弹消散甚至消失，在其沿管路运动过程中，液弹会缩 短或长大。采用弹跟踪模型分别对稳态弹状流和非稳态弹状流情况下的单个 液弹沿管路的发展情况进行了预测。 夏国栋，周芳德等【3 6 】用高速动态分析仪对倾斜上升管中气液两相弹状 流中t a y l o r 气泡的运动速度进行了研究。获得了无干扰流场下t a y l o r 气泡运 动参数的测量结果，并分析了两相混合流速及管倾角对气泡头部位置的影响， 以及由此而引起的气泡漂移速度及液体速度影响系数的变化情况，。然后在 理论分析的基础上，推荐了计算气泡运动速度的实验关联式。 1 3 本论文的主要工作 通过对国内外研究现状的了解，可以发现竖直管流动液体中，弹状气泡 的上升速度和气液两相混合速度呈一次函数关系，但对c 0 和砜值的确定还 存在争议，因此，有必要对竖直管内弹状流运动特性进行进一步的研究。另 外，通过对大量资料的调研，目前尚未发现有针对摇摆状态下弹状流流动特 性研究的论文发表，因此，本论文的主要工作就是在对竖直管内弹状流运动 特性研究的基础上，通过实验研究对摇摆工况下弹状流的运动特性进行分 析，具体如下： 1 非摇摆状态下气泡的运动特性研究 ( 1 ) 非摇摆滞止流体中气弹的运动特性研究。主要研究不同气相入口压 力、不同管径对气弹上升速度的影响，通过试验结果给出非摇摆滞止流体内 气弹上升速度表达式，并与经验公式进行对比。 ( 2 ) 非摇摆流动液体中气弹的运动特性研究。主要研究层流和紊流两种 状态下，管径、水流量、气流量对气弹上升速度的影响。通过试验结果给出 层流和紊流两种状态下弹状气泡上升速度表达式，并与经验公式进行对比。 为确定非摇摆于摇摆状态下的弹状气泡运动特性的差异打下基础。 9 哈尔滨下种火学硕十学何论文 2 摇摆状态下弹状气泡运动特性研究 ( 1 ) 摇摆滞止流体中气弹的运动特性研究。主要研究研究摇摆角度、摇 摆周期及管径对气弹上升速度的影响，并结合理论分析和实验数据，给出摇 摆条件下滞止液体中气弹平均上升度的实验关系式，并将理论关系式与实验 数据进行对比。 ( 2 ) 摇摆流动液体中气弹的运动特性研究。主要研究层流和紊流两种状 态下，液体流量、气体流量、摇摆角度、摇摆周期以及管径对弹状气泡在流 动液体中上升速度的影响，通过理论分析，给出摇摆工况下弹状气泡上升速 度表达式。 本论文所作的摇摆对两相流中弹状气泡上升速度的研究，国内尚未开展 这方面的工作，国外也未见有公开的研究报道，因此是一项开创性的基础研 究工作。希望通过本文的研究能够扩展和丰富两相流的基础研究，并为进一 步研究摇摆状态下两相流的传热特性提供依据。 1 0 哈尔滨l ：秤人学硕十学何论文 第2 章实验装置与实验方法 本文工作以实验研究为主，对两种不同管径、两种摇摆角度和三种摇 摆周期进行组合，对非摇摆条件下滞止与流动流体内弹状流的运动特性以 及摇摆条件下滞止与流动液体内弹状流的流动特性开展研究。全部实验在 摇摆台上完成。下面就实验装置系统、测量手段和试验方法进行详细的介 绍。 2 1 实验装置 本实验是在常温下进行的，采用空气和水作为实验工质。如图2 1 所 示，从试验装置流程图可看出，实验装置由试验段、水循环回路、气回路 和测量系统四部分组成。 试验段由内壁光滑的透明的有机玻璃管和两个同步气动速关阀组成。 在试验段的测压段上开两个0 5 m m 的小孔，通过引压管连接到压差传感器 和压力传感器上，两孔之间距离2 m ，引压管内充满单相水。两试验管的 内径分别为1 5 m m 和3 5 m m 。为了保证流型充分发展，试验段总长为4 m ， 入口气液两相混合段约长1 1 m 。两个同步气动快关阀为常开阀，内部采用 球阀原理，密闭性好。采用气压瞬间制动，在使用过程中，只有完全打开 和全部闭合两种状态。阀门完全打开时其内径与管道内径相同，目的是为 了消除阀门开度引起的局部压降，因此当改变试验段管径时，气动快关阀 也需要重新调换。气动阀的气源来自空气压缩机，压力由减压阀调节到一 定值即可。试验段的入口处安装了一个电磁旁通阀，它的制动恰好与气动 阀相反。当气动阀常开时，电磁阀处于闭合状态；在气动阀瞬间闭合的同 时，电磁阀同步打开，分流卸压，目的是为了防止两个气动阀同时截止而 引发的管内压力急剧攀升，进而保证了试验段的安全。 本实验非摇摆工况下气弹上升速度的测量采用单头电导探针测量，将 哈尔滨门蹿人学硕+ 学何论文 两个探针分别安装在试验管段上下两个位置，两探针之间的距离l = i 6 m 。 当气泡通过弹头电导探针时，可以通过采集板采集到的电压信号来确定气 弹在两探针运动所用的时间，进而求得气弹的上升速度。弹头电导探针的 测量原理及制作过程，见2 3 1 单头电导探针的制作工艺及测量原理。 水由离心泵从水箱抽出，经涡轮流量传感器后进入试验段，流经实验 段后，流回水箱再循环使用。空气由空气压缩机加压，进入储气罐，在经 过减压阀调整到一定压力后，通过金属转子流量计进行测量，进入实验段， 试验段尾部通大气，气体流经实验段后从试验段尾部排出。 图2 1 实验装置流程图 1 水池2 离心泵3 球阀4 涡轮流量计5 针阀6 压力传感器7 压差传感器8 试验段9 i m p 采集板l o 计算机1 1 一f 游探针1 2 上游探针1 3 气动阀1 4 空气压缩机1 5 集气罐1 6 减 压阀1 7 压力表1 8 金属转子流量计1 9 针阀2 0 电磁阀 2 2 摇摆台 图2 2 为摇摆台架示意图，摇摆台由变频器控制，依靠曲柄连杆机构 带动来完成简谐摆动，其平衡位置是台面的水平位置。实验装置中只有试 验段固定在摇摆台横向中心轴2 上，随摇摆台做摇摆角度为0 m 、摇摆周期 1 2 n f 尔浜l 槲人学硕十学何论文 为t 的简谐摆动。 摇摆台的摇摆规律如下： 红删n 降+ 2 勋) ( 2 - 1 ) 缈= 署= 以等c 。s ( 等r + 2 尼万) c 2 吲 = 害一氏( 科s i n ( 争2 七刁 2 3 ， 式中：秒一芒时刻的摇摆角度，r a d ； 巳一摇摆最大角度，r a d ； 丁一摇摆周期，s ； c o 一摇摆角速度，r a d s ： 一摇摆角加速度，r a d s 2 。 图2 2 摇摆台架示意图 1 试验段2 中心轴 3 转动轴 哈尔滨1 ：稃人学硕十学何论文 2 3 实验测量与记录 测量系统由计算机、i m p 分布式数据采集板、压力、压差传感器以及 液体涡轮流量计、金属转子流量传感器和探针组成。实验中需要测量的参 数有气体和液体的体积流量、试验段内两相流动引起的压力和压降变化、 通道内的空泡份额、摇摆角度、摇摆周期、两相流体温度和气弹的上升速 度。 因实验中为了保证测量精度、减小误差，水流量小时可以采用称重法 测量，流量大时选用涡流流量传感器，气体入口相对压力通过减压阀控制 在0 1 m p a ，气体采用金属转子流量计测量。 试验段内的压力、压差、水流量、气流量和探针信号通过i m p 分布式 数据采集板输入计算机，并采用专用的软件对动态数据进行采集计算，采 样时间为0 1 s ，从而保证了压差波动动态特性的实时监测和记录。表2 1 显示了实验中用到的各种仪表的型号、量程以及精度等级。在正式实验开 始前，对测量仪表进行专门的标定。 表2 1 实验中仪器仪表的参数 名称 型号精度量程 涡轮流量计 l w g y i o a o 50 6 4 m 3 h ( 4 - 2 0 m a ) r a m c 0 2 一d 4 s s 一6 2 m 1 金属转子流量计0 0 2 0 - 0 7 m 3 h ( 4 - 2 0 m a ) e 9 0 4 2 4 压力变送器c e c c seo 2o - lo o k p a ( 4 - 2 0 m a ) 电容式压差变送器 t y 1 1 5 1 d p 5o 50 12 0 k p a ( 4 - 2 0 m a ) i m p 数据采集板 3 5 9 5 1 t0 0 2 压力表 1 5 0 0 6 m p a 电子秤5 克 0 l o k g 1 4 哈尔滨l ：稃人学硕十学付论文 实验过程中弹状气泡上升速度的测量方法是很关键的问题。摇摆和非 摇摆状态下弹状气泡的上升速度有很大的区别。在非摇摆条件下弹状气泡 的上升速度在一个确定的水流量和气流量的工况下运动时，气弹的上升速 度是不变的；而在摇摆条件下由于摇摆因素的存在，气泡的上升速度是随 时间发生变化，并且气弹的头部在运动时，也呈现