（热能工程专业论文）分配联箱气液两相流的实验及数值模拟研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 气液两相流分配问题广泛存在于工业换热设备中。流量分配特性直接影响换热 特性，对设备的安全运行和经济运行有重要作用。 本文用实验研究及数值模拟的方法，研究单入口径向引入，四分支管垂直向上 引出分配联箱气液两相流分配特性。提出加装笛形管的联箱几何结构改进方案。通 过比较，笛形管结构可极大提高分配均匀性。数值模拟采用a n s y sc f x 商用软件， 选择非均相自由表面模型。分析联箱截面的液体体积分数、速度场及出口流量。模 拟结果与实验数据及拍摄图较好吻合，所用模型可有效预测及分析分配联箱气液两 相流流场。 关键词：分配联箱，气液两相流，分配特性，笛形管，数值模拟 a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o no f g a s l i q u i dt w o - - p h a s ef l o ww a sw i d e l ye x i s t e di nh e a te x c h a n g e r s i ni n d u s t r y t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ca f f e c t e dt h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cd i r e c t l y , a n d h a di m p o r t a n te f f e c to nt h es e c u r ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h ef a c i l i t i e s t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wi nd i s t r i b u t i o nh e a d e r , i nw h i c hf l u i d sw f f r ei n t r o d u c e df r o ms i n g l er a d i a li n l e ta n de x t r a c t e dv e r t i c a l l yb yf o u r u p s t r e a mb r a n c h e s ，w a ss t u d i e db ye x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a d d i n gaf l u t et ot h eh e a d e r , t h eg e o m e t r i c a li m p r o v e m e n ts c h e m e ，w a sb r o u g h tf o r w a r d c o m p a r i s o nw i t ht h ec u s t o m a r yc o n f i g u r a t i o nr e v e a l e dt h a tt h ef l u t ec a ne n h a n c et h e u n i f o r m i t yo ft h ef l o wm a r k e d l y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e db yc o m m e r c i a l s o f t w a r ea n s y sc f x ，a n di n h o m o g e n e o u sf r e es u r f a c ef l o wm o d e lw a sc h o s e t h e w a t e rv o l u m ef r a c t i o n ，t h ev e l o c i t yf i e l do nh e a d e rs e c t i o na n dt h eo u t l e tf l u xw e r e a n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sm a t c h e dc l o s e l yw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e p h o t o g r a p h ，a n dt h em o d e lc o u l df o r e c a s ta n da n a l y z et h eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w f i e l di nd i s t r i b u t i o nh e a d e re f f e c t i v e l y l iy a j i e ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f p a n gl i p i n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nh e a d e r , g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w ，d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，f l u t e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 国内外研究动态l 1 2 1 实验方法研究动态2 1 2 2 几何结构研究动态4 1 2 3 数值模拟方法研究动态6 1 3 本文研究内容7 第二章实验系统及方法8 2 1 实验系统8 2 1 1 空气系统8 2 1 2 水路系统9 2 1 3 实验段9 2 1 4 分离测量系统1 0 2 2 实验方法。l0 2 2 1 实验原理1 0 2 2 2 实验参数范围1 1 2 2 3 实验步骤1 1 2 2 4 数据处理方法1 2 2 2 5 误差分析13 2 3 实验段结构改进1 4 2 3 1 笛形管1 4 2 3 2 改进方案1 4 第三章实验结果分析1 5 3 1 工况选取和评价参数1 5 3 1 1 工况选取。15 3 1 2 实验结果评价参数1 6 3 2 原实验段结果分析1 6 t t 华北电力大学硕士学位论文 3 2 1 流量分配特性1 6 3 2 2 入口气体流量对分配的影响。1 7 3 2 3 入口液体流量对分配的影响1 8 3 2 4 入口干度对分配的影响2 0 3 3 改进实验段结果分析21 3 3 1 流量分配特性2 l 3 3 2 入口量对分配的影响2 3 3 3 3 压力。2 8 第四章c f x 多相流模型理论2 9 4 1 c f d 简介2 9 4 2 a n s y sc f x 介绍2 9 4 3 多相流模型理论3 0 4 3 1 均相和非均相模型3 0 4 3 2 流体动力学方程31 4 3 3 多相流湍流模型。3 3 4 3 4 相间动量传输模型3 4 4 3 5 多相流浮力模型。3 7 4 3 6 自由表面流3 8 第五章联箱数值模拟及结果分析4 0 5 1 物理模型及简化。4 0 5 2 数学模型选取4 0 5 3 网格划分4 l 5 4 模拟结果分析4 2 5 4 1 液体体积分数4 2 5 4 2 流动过程讨论4 4 5 4 3 流动特点讨论4 6 5 4 4 折算速度矢量4 7 5 4 5 出口流量4 9 5 5 加笛形管实验段模拟结果5 l 5 5 1 液体体积分数。5l 5 5 2 折算速度5 3 i i i 华北电力人学硕士学位论文 5 5 3 出口流量5 4 第六章结论与展望5 5 6 1 结论5 5 6 2 展望5 6 参考文献5 7 驾【谢6 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 l i v 华北电力大学硕+ 学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 两相物体的流动称为两相流。在两相之间不仅存在分界面，而且这一分界面是 随着流动在不断变化的。因此，两相流定义为存在变动分界面的两种独立物质组成 的物体的流动。其中，气体和液体共同流动的两相流称为气液两相流。气液两相流 广泛应用于动力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工业中，在这些工业的热交换 设备中存在两相流的分配与传热问题。 2 0 世纪3 0 年代，两相流这一术语首先出现于美国的一些研究生论文中。苏联 于1 9 4 3 年首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上。1 9 5 0 年以后，由于工业 技术的飞速发展，特别是直流锅炉和核反应堆的引入，促使气液两相流和传热的研 究工作进一步展开。近半个世纪以来，美、苏、英等工业发达国家对于气液两相流 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做了广泛的研究和分 析。近3 0 年来发生的核电站事故，促使各主要工业国对核反应堆的热力、水力状 况进行了大量研究工作。在其他工业领域，气液两相流动和传热的研究工作都在向 着增加研究参数、扩大研究范围的方向努力。总之，工业的发展不断向气液两相流 的研究提出新课题，而气液两相流的研究又进一步促进了工业的发展。 在许多工业设备中存在着气液两相流的分离与混合现象，联箱系统就是这样的 设备。在联箱系统的并联蒸发管中，当设计不良时，会发生水动力不稳定和脉动现 象。此时，虽然各管两端压力差是相同的，但各管中的流量却不同，而且各管中的 流量可以时大时小，作非周期的变化。这样的运行工况，对于受热的并联蒸发管的 安全性是很不利的，有的管子金属可能因过热和热疲劳而损坏。当发生脉动时，各 并联管中的流量以及其它参数会发生周期性的变化，会使管子金属交变地与不同状 态工质接触，使管子金属温度周期性波动而导致金属的疲劳损坏。在高干度蒸发管 中会发生传热恶化和管子烧损现象。因此，研究换热设备中的气液两相流问题对于 工业设备的运行安全十分重要j 。 1 2 国内外研究动态 气液混合物流经联箱并分配到和联箱平行连接的各并联管子中是工业上常见 的现象。但是，对此现象的试验研究报告不多，有关的理论分析工作进行的更少。 目前，还没有普遍通用的有效预测气液两相混合物在联箱结构分配的方法，这与两 华北电力人学硕七学位论文 相流在多分支管中分离本身的复杂性有关。现将国际国内最先进最重要的关于此课 题的研究分述如下。 1 2 1 实验方法研究动态 日本的m a s a h i r oo s a k a b e 等1 2 j ，用实验的方法研究单相水和气水两相流在水平 引入四垂直分支管联箱的分配特性。得出如下主要结论：当联箱入口的雷诺数小时， 分支管中分配不均，即使在单相工况时，此特性是由于分配系统的流动不稳定性。 联箱有少量气泡夹带时，第一根分支管的液体分配剧增，其他分支管减少。随联箱 入口的气体流量增加，第一根分支管的流量逐渐达到最大值并开始减少。当联箱有 少量气体夹带时，联箱需要有足够的水保证能达到所有分支管。在单相流中，足够 的入口管长度可保证均匀分配；但当联箱有少量气泡夹带时，会导致分配不均。将 单相流预测模型外推至夹带少量气泡的流动，假设联箱中气泡完全被引入第一根分 支管，模型预测与实验结果吻合较好。随气体速度的增加，分配到第一根分支管的 流量减少，其它分支管流量增加。 加拿大的z t c c l e m a r i a m 等【3 】实验研究水平多分支管联箱出口的两相流分配特 性。联箱为双入口，分支管数为3 0 ，每层5 个共6 层。实验使用气水混合物，实验 条件为室温、联箱压力1 7 0 3 k p a 。实验情况包括单和双引入、两种不同入口液体流 量和每种液体流量下四种不同的气体流量( 四种干度) 。出口气体和液体的流量在 所有分支管压降相等的条件下测量。数据表明，轴向和径向不同的分支管中气相和 液相的分配不同。分支管气液流量和分支管干度与入口气液流量和入口形式( 单入 口或双入口) 有很大关系。 挪威的s i v e r tv i s t 等【4 】研究了板翅式换热器联箱中的两相流分配特性。测量段 使用水平入口联箱，l o 根平行的蒸发器管。研究了联箱入口蒸汽质量分数、换热器 管热负荷、联箱直径和联箱入口管长度对流量分配的影响。研究表明：当入口管长 度为2 5 0 m m 时，液相和蒸汽相的分配极为不均。分支管中为上升流时，蒸汽相流 动最容易分布到最邻近入口的管束中，液相在联箱下部，优先分布到换热器最远端 管束中。分支管中为下降流时，液相最容易分布在第一根管束中，气相直接进入联 箱最尾部的管束中。当改变入口总质量流量或改变蒸发器测量段的热负荷时，对两 相分布的影响很小。增加联箱入口的蒸汽质量分数，无论在上升流还是在下降流中， 蒸汽相分布得到改善。与此相反，在低蒸汽质量分数时，液相分配特性提高。换热 器管的热负荷随蒸汽质量分数的增加而降低，与两相流的分配有直接的关系。减小 入口管长度，蒸汽相和液相的分配特性均有所提高。 英国的e w r e n 和b j a z z o p a r d i t 引，研究t 型管系统的相分离特性。系统包 括两个大直径( o 1 2 7 m ) t 型结构，研究系统结构的改变及其对分离特性的影响。 2 华北电力大学硕士学位论文 实验在环境温度和环境压力下进行，运行在半环状和分层流型下。实验结果表明， 双t 型系统的特性比单分支系统复杂很多。双t 型系统更为通用，可用于更多液体 支配的入口工况，易于相分离。单t 型系统水平管侧臂垂直向上或向下安装比水平 侧臂结构的相分离能力增大，但双t 型系统可获得更大的两相入口流分离角。双t 型系统几何结构的改变对相分离的影响不大，对多数入口流量情况下接合处距离改 变的影响可以忽略。 意大利的a m a r c h i t t o 等【6 j 用实验方法研究板翅式换热器水平管束中的两相流 分配。完成了水平圆柱联箱、1 6 根垂直分支管的气液两相分配测量，分支管中为上 升流动。研究了运行工况、连接联箱与分支管的管口面积和入口喷嘴对流动的影响。 分别测量了两相在各分支管的流量。对联箱中不同流型和间歇流到环状流范围的两 相流分配进行图像显示。实验结果表明，运行工况对联箱和分支管中两相流型的影 响很大。得出不同的气液流比和气液各相流比的标准偏差值( s t d ) ，它们随气液入 口折算速度而改变。改变a r 值( a r 为联箱横截面积与总分支管入口截面面积之比) 对分配的影响很大。增加面积比，即减小连接联箱和分支管的孔口直径，气相分配 特性提高，气相s t d 值减小；但液相s t d 值显著增大，特别是在高气体折算速度 时。联箱入口喷嘴对分支管流动分配特性的影响也很大。其主要作用是在联箱产生 射流，改变入口流型。通过增大入口气体折算速度提高分支管中气相的分配。液体 流比的标准偏差值表明：在较高气体折算速度下，喷嘴的存在提高了分配特性；对 中等气体折算速度值，根据液体折算速度和喷嘴直径的改变有时会出现恶化的效 果。 上海交通大学的罗永浩、杨世铭等【7 】对三通附近涡流区中的集箱静压分布和支 管入口阻力系数进行了实验，研究t 型进口三通的布置方式对分配集箱中流量分配 的影响。实验得出的静压分布和阻力系数所算得的支管间流量分配和对各根支管所 进行的直接测量结果吻合很好。结果表明，在三通附近的集箱中存在涡流区，在引 入管所覆盖的区域附近还存在二次涡，使得集箱中的静压分布在周向和轴向上都发 生了显著的变化，同时涡流影响区中的支管入口阻力系数也发生了很大的变化，造 成了该区域管组中的流量分配极不均匀。现有的计算方法没有考虑这一重要影响因 素，是导致设计失误的根本原因。 东北电力学院的程卓明、周云龙【8 】对垂直u 型并联管系统低质量流量的流量分 配特性进行了理论和实验研究，获得气相和气液两相质量流量分配特性，以及各分 支管的流型记录。分析了分配联箱中流型对流量分配以及各分支管中流型的影响。 研究发现：对于u 型并联管系统，在气一水两相流的低质量流量工况下，分配联箱 中的流型是影响分支管中流量分配特性、相分配特性以及流型分布的主要因素。距 离分配联箱入口近的分支管的流型对气相的分流对其后的分支管中的流型和流量 分配有很大影响。气相质量流量和气液两相质量流量的分配很不均匀但却是有规律 3 华北电力大学硕士学位论文 的。这时气相有更容易进入距离分配联箱入e l 近的管的趋势。 上海交通大学的范卫东等【9 1 针对某台锅炉分配集箱带弯头入v i 的顶棚管过热器 受热面管流量分配做了详细的试验研究。研究发现，弯头上不同区域的管产生不同 的流量偏差，并且弯头出口附近直管集箱上的管中流量也会受弯头的影响。布置在 弯头外侧的管偏大，管头内侧的管偏小。在弯头出口直管集箱上受热面管中流量仍 偏小。提出消除流量偏差和解决爆管的措施。设计并联管组织结构时，分配集箱尽 量不采用弯头入口；不得已采用时弯头处易爆的管可稍远离弯头低压区引出。在弯 管处可单设一中间集箱，单独为其引入蒸汽，单独给弯头处的这几根管供汽。也可 堵掉流量偏小的管或更换更好材质的管子。 西安交通大学的陈听宽等【i o 研究国产6 0 0 m w 直流锅炉分配集箱在亚临界压力 下的流量分配特性。试验段由巾4 2 m m 5 5 m m 的分配集箱、巾2 5 m m x 3 m m 分配集 箱径向引入管和巾1 0 m m x1 5 m m 的垂直并联水冷壁管组成，材料为1 c r l 8 n i 9 t i 钢 管；试验参数为：压力p = 4 m p a - - 1 9 m p a ，质量流速g = 4 0 0 k g ( m 2 s ) 1 2 0 0 k g ( m 2 s ) ， 质量含汽率x = 0 - - , 1 0 。试验研究了工质压力、质量流速和集箱入口质量含汽率对分 配集箱垂直水冷壁管流量分配和质量含汽率分配特性的影响。随着分配集箱工作压 力和分配集箱进口质量流速的增加，分配集箱并联支管之间的质量含汽率分配的偏 差降低；在入口质量含汽率较小时，并联支管之间的质量含汽率的分配偏差随着质 量含汽率的增加而增大；在入口质量含汽率大于0 5 5 时，并联支管之间质量含汽率 的分配偏差随着入口质量含汽率的增加而减小。 1 2 2 几何结构研究动态 韩国的j u nk y o u n gl e e 等【l l 】研究板翅式换热器联箱与分支管连接处的气液两相 环状流分配特性。他们将分支管伸入联箱内。考虑的参数是垂直上升联箱的入口管 质量流量和水平分支管伸入联箱的长度。联箱和分支管的横截面尺寸分别为2 4 m m x 2 4 m m 和2 2 m m x1 8 m m 。质量流量和干度的范围分别是5 4 - 1 3 4 k g m 2 s 和0 2 0 5 ，入口长度分别为0 、6 和1 2 m m 。工质为空气和水。分支管不伸入联箱时，只 有少量液体分离进入尾部分支管；而分支管伸入联箱时，趋势相反。随伸入长度的 增大，阻碍了液体流入联箱前部的分支管。总之，通过调整伸入长度可得到均匀的 分支管液体分布。当伸入长度大时，干度对流量分配的影响很小，这是因为由于分 支管伸入联箱使混合作用加强。 韩国的n a e h y u nk i m 等【1 2 】研究水平流换热器联箱的气液环状流分配。所用换 热器由圆形联箱和1 0 个平板分支管组成。他们也将分支管伸入联箱内，研究了分 支管伸入联箱的长度和联箱热流、入口质量的影响。联箱入口的流动为环状流。研 究表明：对下降流结构，液体分布受分支管伸入长度的影响大。由于内嵌式结构， 4 华北电力大学硕士学位论文 大量的液体流过联箱前端。随伸入长度的增加，可使得更多的水流入联箱后端。对 下降流动，联箱热流和入口质量的影响与伸入长度的影响相同。随联箱热流和入口 质量的增加，使得更多的水流入联箱后端。对上升流动，伸入长度的影响与下降流 相同，随伸入长度的增加，可使得更多的水流入联箱后端；联箱热流和入口质量的 影响与下降流相反，随联箱热流和入口质量的增加，使得更多的水流入联箱前端。 此外，随伸入长度的增加，联箱和分支管压降的不均增加。 美国的a n d r e ww c h e n 等【l3 】研究了出口位置的几何形状对联箱内分配特性的 影响。为研究此影响，考虑了三种出口几何方案：不连续的圆孔、不连续的矩形圆 头槽、纵向矩形圆头通槽。为有效地比较三种方案的效果，使三种方案的出口总面 积相等。用数值模拟的方法进行研究，数值结果表明：在这三种方案中，连续的通 槽会产生最均匀的出口流动。从生产实际考虑，单个通槽的制造也很简单，因此， 此方案很有优势。 意大利的a m a r c h i t t o 等【1 4 】研究联箱几何对平行垂直管束气水混合物分配特性 的影响。在液体折算速度0 2 1 2 m s 、气体折算速度1 5 1 6 5 m s 范围内，考虑运 行工况、联箱几何和入口的影响。提出在已有的实验段设备上，联箱内部加装一同 轴、多孔分配器，通过适当地选择位置、直径、笛形分配器与联箱分支管系统间开 孔的数量，可确定最大程度提高气液两相流分配特性。所有工况下比较实验证明， 笛形分配器可成功提高分支管的相分配。特别当笛状物开孔与分支管方向夹角1 8 0 度时，结果最为理想。若不考虑通孔直径，1 8 0 度笛形装置可减少液体标准偏差约 5 0 。笛状物孔径大小与联箱内压力分配的关系明显。当笛状物孔径较小时( 3 m m ) ， 联箱内和联箱上升流的压力值增大。 上海发电设备成套设计研究院的刘进【l5 】针对大容量电站锅炉中过热器和再热 器集箱的径向引入、引出的三通结构进行数值模拟，运用f l u e n t 软件，研究了稳 态工况下径向引入引出的三通结构的静压分布特点、流动机理、三通附近区域的流 态对流量分配的影响以及对侧母线上的静压分布进行分析。研究发现，在三通附近 流场的变化非常强烈，有非常明显的三个回流区存在，这三个回流区的共同作用决 定了三通效应的影响模式；回流区的影响范围不超过2 d ( d 为径向引入管的直径) ； 在远离三通一定的区域，蒸汽流逐渐平稳；径向引入引出的三通结构的三通效应是 普遍现象，其影响强弱跟三通结构形式有关。因此提出两种改进的球型三通和弧型 三通结构，并研究了这两种形式的三通结构的流场特点，研究结果表明，这两种改 进后的结构都能很好地优化三通附近流场，改善回流区对集箱流量分配的影响，有 推广应用价值。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3 数值模拟方法研究动态 英国的d a d e c h y 等l i6 j 提出管道及其连接结构环状流动的计算模型。包括两个 子模型：中心的离散液滴一气体流，壁面液膜模型。中心区模型采用标准的拉格朗 日一欧拉方法求解连续相气体和离散液滴相的输运方程。液膜模型简化假设液膜非 常薄且为边界层流动。中心和液膜模型通过分界面的动量和质量输运相相互耦合。 引入作用在液膜分界面气体流过表面波的形阻力来计算液膜上的升力。用标准经验 关系式考虑液滴与液膜间的夹带与沉积作用。水平充分发展管道流动的模型应用表 明，模型可正确预测液膜厚度和速度。将模型应用于预测t 型分离流动。与测量数 据比较得出，模型可反映流动的主要特点。特别是可以预测实际发生在t 型结构侧 分支管的两个明显的峰值。但不能准确将峰值定位。然而，在一定分离比范围内， 模型可十分准确地预测t 型结构的相分离角度。 a s h r a e ( 美国采暖，制冷与空调工程师学会) 的g a n gl i 和s t e v e nf r a n k e 1 7 】 研究制冷剂分配的c f d 模型，并将其应用于设计改进。首先，他们用商用c f d 编 码中不同的两相模型方法的预测结果与文献中用空气和水做工质的两相流分配的 实验结果做比较。v o f ( 流体体积模型) 和a s m ( 代数滑移混合模型) 不能有效预 测实验数据，而i p s a ( 相间滑移代数模型) 的预测在所有工况下都与测量值吻合很 好。然而，对典型制冷剂分配器几何和运行工况设置，用不同的模型方法对两相分 配和分离的预测结果十分相似。因此，a s m 适用于研究制冷剂分配器设计和评估现 有和改进设计的性能。进而用实验和c f d 方法研究制冷剂分配器的改进。得出结论： 一般，与其他形状相比，使用球形分配器底部更好，孔口位置应靠近分配器底部。 这些改进可提高分配器特性，对不同的孔口或分配器位置提供出口分支管的均匀流 动和相分配。 德国的c h r i s t o p h ev a l l 6 e 等【i8 】用实验研究及数值模拟的方法研究水平分层两相 流现象，建立了两个矩形截面水平管道。管道可研究大气压室温下气一水顺流流动， 华北电力大学硕士学位论文 形界面计算( p l i c ) 界面重建方法，用计算流体力学( c f d ) 编码执行。研究考虑 了水一气流所有水平两相流型。所有模拟与预测流型吻合较好。验证了v o f 多相模 型与p l i c 界面重建方法，用c f d 编码执行的流动计算结果。此外，对气油两相汽 一液流使用相同的c f d 编码，所有水平两相流型被成功再现。根据模拟结果发现贝 克图无量纲参数入和1 l r 的物性公式适合水一气流和气油液一汽流，首次评价这些参 数的特性。因此可得出用现有c f d 编码可模拟贝克图中所有水平流型。 中国石油大学的赵铎【2 0 】用实验研究及数值模拟的方法研究水平管内气液两相 流流型。介绍了气液两相流型的种类以及主要的研究方法，通过实验观察流型变化 受气体流量和液体流量的影响，利用数值模拟软件f l u e n t 对管道内两相流流型进 行模拟。通过分析多相流动的特点，分析f l u e n t 软件中多相流模型的使用特点， 选定了用于模拟气液两相在管道中流动的模型v o f 模型。采用非稳态、隐式分 离求解算法进行数值计算，对管道内流型进行分析。模拟结果表明：v o f 模型可以 用来模拟两相流流型中的气泡流、活塞流、分层流、段塞流以及波浪流；液量不变、 气量增加条件下以及气量不变、液量减少条件下流型的变化趋势与实验结论相同。 模拟结果与m a n d h a n e 流型图进行对比可知二者基本吻合；应用部分实验数据进行 模拟，模拟结果与实验结果相吻合。 1 3 本文研究内容 本文用实验研究和数值模拟的方法研究分配联箱内气液两相流的分配特性。 实验方法的主要内容： 1 ) 在单入口径向引入，垂直上升流引出的联箱系统实验台上，进行气液两相 流实验，获得不同入口参数的实验数据。 2 ) 对实验段结构提出改进方案，即在联箱内加入笛形管结构，并完成相应结 构的实验。 3 ) 分析实验数据，研究分配联箱气液两相流的流量分配特性，研究入口气液 流量、入口干度对分配特性的影响，研究几何结构对流量分配特性的影响。 数值模拟方法的主要内容： 1 ) 将实际流动问题简化，为所研究问题选择数学模型，用a n s y sc f x 软件进 行数值模拟。 2 ) 分析模拟结果的液体体积分数场、速度场、分支管出口流量，分析流动过 程将结果与实验数据、实验拍摄图进行比较，验证数值模拟的有效性。 3 ) 用相同数学模型对改进结构的气液两相流动进行预测，并用实验结果进行 验证。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 1 实验系统 第二章实验系统及方法 本实验系统用于研究不同工况下单相流( 空气) 或气液两相流在联箱系统的流 量分配特性。其中，径向引入是本实验系统的主要特点。目前国内外的研究以轴向 引入居多，而径向引入的研究较少。本系统可用于单进口引入和双进1 3 引入的研究。 对于引出，本实验台可用于垂直上升流引出和垂直下降流引出的研究。本文的研究 使用单进口径向引入，垂直上升流引出的实验方案。实验使用的工质为空气和水。 实验系统主要由空气系统、水路系统、实验段以及分离测量系统等四个部分组成。 实验系统图如图2 1 所示。 l 一水箱，2 水泵，3 水流量讨，4 空气压缩机，5 过滤器，6 空气流量计， 7 气水混合器，8 实验段，9 三通阀，1 0 大气水分离器， 1 1 小气水分离器，1 2 差压计，1 3 水测量流量计，1 4 气测鼍流量计 图2 1 实验系统图 2 1 1 空气系统 空气由空气压缩机提供。如图2 1 所示，压缩空气依次进入过滤器、减压阀、 气体流量计，由气体流量计控制入口空气流量，然后进入气水混合器。在混合器中， 8 华北电力大学硕士学位论文 空气与水混合，并一起进入实验段，形成复杂的管内气液两相流。气水两相混合物 经出口分支管流出实验段，进入分离测量系统。经分离后的空气直接排入大气或经 空气流量测量装置后排入大气。空气压缩机的流量为1 3 6 m 3 m i n ，输出功率为1 0 k w 。 气水混合器结构见图2 2 ，空气从水路管壁上的小孔( 巾2 m m ) 注入与水混合。小 孔共l o 排，每排8 个，均布相隔4 5 。 2 1 2 水路系统 图2 2 混合器结构 孔径由2 水储存在水箱中，由水泵提供压头，依次进入减压阀、液体流量计，由液体流 量计控制入口液体流量，然后进入气水混合器。在混合器入口前装有止回阀。在混 合器中，水与空气混合，并一起进入实验段，形成复杂的管内气液两相流。气水两 相混合物经出口分支管流出实验段，进入分离测量系统。经分离后的水直接返回水 箱或经过水流量测量装置后返回水箱。水泵的扬程为2 0 m ，流量为6 3 m 3 h ，输出轴 功率为1 1 k w 。 2 1 3 实验段 实验段结构如图2 3 所示。实验段采用有机玻璃制造。气水混合物由入口管( 巾 3 5 m m 5 m m ) 水平径向引入，进入水平联箱( 巾4 5 m m 5 m m ) ，后由四根分支管 ( 巾15 m m 3 5 m m ) 垂直向上引出。 9 华北电力大学硕士学位论文 1 5 4 7 日 c 3 o 口 l i厂、l l 1 l 舅1 5 x 3 1 6 1 5 3 玉 3o 气 目。日 c 目 盛。1 e c 凡 3 5 x 5 2 1 4 分离测量系统 5 0 。 h 、 龠。 ， 图2 3 实验段结构 气液两相流由垂直向上的分支管引出后，每根支管的流体通过y 型三通分为两 路，分别送往大、小气水分离器，完成气水的分离。小气水分离器用来分离并测量 单根分支管的气体流量和液体流量。大气水分离器用来分离并测量其余分支管的总 气体流量和总液体流量，以保证实验的质量平衡。大、小气水分离器之间装有差压 计，通过调整分离器空气出口的调节阀，来保证所有分支管出口压力相等。 分离器出来的空气和水分别进入空气测量系统和水测量系统。空气测量系统， 使用涡轮流量计或质量流量计测量气体流量，输出的是电压或电流信号，再将其转 化为体积流量。水测量系统，测量罐体积的增加，然后计算出液体体积。测量后的 空气排入大气，水返回水箱。 2 2 实验方法 2 2 1 实验原理 本实验的依据是质量平衡。即保证各出口分支管流量之和与入口流量的平衡。 l o 华北电力大学硕十学位论文 在质量平衡的前提下，测量各分支管流量，研究联箱内气液分配特性。 由于存在误差，本实验气相所有数据的质量平衡误差均小于1 0 ，其中有8 2 1 的数据质量平衡误差在6 以内；对于液相，9 0 9 的数据质量平衡误差在- - + 5 以 内。 2 2 2 实验参数范围 当地大气压为0 1 m p a 。实验参数范围如表2 1 所示。 2 2 3 实验步骤 表2 1 实验参数范围 参数参数值 入口气量 0 0 0 0 9 k g s 入口液量 0 - 0 3 k g s 入口干度o 6 一2 3 气体表压 o 0 1 0 0 8 m p a 水路表压 0 0 1 - 0 0 3 m p a 室温1 0 - 3 2 1 2 气温 1 0 - 3 0 水温1 5 - 3 0 为保证实验的安全性和准确性，防止设备的损坏，必须严格按照一定的操作流 程进行实验。具体的实验步骤如下： 1 ) 在实验开始前，开启空气压缩机并检查空气系统的气密性，开启水泵给水 箱注水使保持足够水位，打开数据采集设备使之正常运行。 2 ) 开启空气系统和水路系统入口阀门，使工质空气和水进入实验系统。此步 骤应注意开启顺序，先开空气系统，待稳定后再开启水路系统。 3 ) 将空气和水的入口流量调为所需的工况值。 4 ) 将所测分支管引入小气水分离器，其余分支管引入大气水分离器，并调节 大小气水分离器气体出口阀门，使大小气水分离器的压力相等。 5 ) 测量一定时间内大小气水分离器水位上升的高度。采集气体流量计输出的 电压或电流信号。至此，一根分支管流量测量完毕。切换分支管，用同样的方法测 量其它分支管流量。用同样的方法完成其他工况的实验。 6 ) 实验完成后，保存实验数据，关闭空气系统和水路系统。关闭的顺序与开 1 1 华北电力大学硕士学位论文 启顺序相反，先关闭水路系统，再关闭空气系统，最后关闭水泵、空气压缩机和数 据采集设备电源。 7 ) 数据处理。 2 2 4 数据处理方法 2 2 4 1 入口量数据处理 本实验系统的入口气液流量用玻璃转子流量计测量。流量计使用时的流体和状 态与流量计分度时的流体和状态不同。因此，必须对示值按使用时的流体和状态进 行修正。所用的玻璃转子流量计，测量液体的用水标定，测量气体的用空气标定， 示值按标准状态( 水2 0 ，空气2 0 ，1 0 1 3x1 0 5 p a ) 的容积流量分度。实验所用 介质为标定介质。实验过程中认为水的状态为标准状态。用被测气体为干空气时的 修正方法修正入口空气的流量，公式如下： 吁q n 鼯 式中： 蟓实际流量值； 翰流量计示值； 脚被测气体在标定状态下的密度，1 2 0 4 1 k g m 3 ； 风被测气体在标准状态下的密度，k 咖3 ； 被测气体在标定状态下的绝对压力，1 0 1 3 l o s p a ； 吩被测气体的测量压力，p a ； 1 被测气体在标定状态下的绝对温度，2 9 3 1 5 k ； 1 s 被测气体的测量温度，k ； 厶被测气体在标定状态下的压缩系数，0 9 9 9 ： 二s 被测气体在测量温度、测量压力下的压缩系数； ( 2 _ 1 ) 2 2 4 2 出口量数据处理 1 出口气体流量 本实验系统的出i s l 空气流量是用数据采集器采集，输出电压( 质量流量计) 或 电流( 涡轮流量计) 信号。用如下公式将其转化为空气的体积流量： 体积流量= 望墼堕写妻嘉警象等等墓斧 c2 2 ， 对涡轮流量计分母为0 0 1 6 a ，对质量流量计分母为4 v 。处理数据时，取一定 华北电力人学硕士学位论文 时间段的数据，再取平均值，以提高实验精度。 2 出口液体流量 本实验系统的出口液体流量是通过测量大小气水分离器的液面上升高度来计 算出口液体流量的。实验测得f 时间内大小气水分离器的液面上升高度分布为啊、 吃，则出口液体流量为： m 。= 坐警 加：= 半 式中： ，l l 、所2 分别为大、小气水分离器中水的质量流量，k g s ； ，l i 、分别为t 时间内大、小气水分离器的液面上升高度，m ； 4 、4 分别为大、小气水分离器的横截面积，m 2 ； 岛水的密度，1 0 0 0 k g m 3 ； f 测量时间，s 。 2 2 5 误差分析 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 本实验的系统误差主要来自下列三个方面： 1 ) 仪器误差 本实验系统所用的仪器，特别是测量仪器，如玻璃转子流量计、涡轮流量计、 质量流量计，以及数据采集装置等均存在误差，对整个实验结果的精度有一定的影 响。 2 ) 方法误差 由于实验的直接测量量为电压或电流信号、高度值，需计算出体积流量，再转 换成质量流量。由于使用近似的经验公式，实验条件不完全满足理论公式所要求的 条件等原因，会产生一定的误差。另外，测试方法本身的不完善也会对实验误差有 影响。 3 ) 测量误差 本实验操作过程中，对时问、大小分离器液面上升高度采用人工测量的方法， 因此时间量和高度量的精度很低，对实验结果的精确性有一定的影响。 1 3 华北电力大学硕十学位论文 2 3 实验段结构改进 为改善联箱内气液两相流的分配特性，本文提出实验段结构改进方案。目前已 有从结构方面改变流动的研究。上海发电设备成套设计研究院的刘进【i5 j 对径向引入 引出联箱的三通结构进行了改进，通过将三通结构改为球形三通和弧形三通，来改 善三通附近的流动状况，减小回流区对流量分配的影响。 本文提出在径向引入联箱内加笛形管的方法来改变流量特性。同为从联箱结构 方面做出改进，却与上述改进方法的本质不同。改变三通结构的本质是消除或减小 流体的回流，但想要完全没有回流是不可能的。而加入笛形管的本质是两相流体的 再分配。因此，加装笛形管可极大地改善联箱内流体的分配特性。 2 3 1 笛形管 笛形管结构顾名思义，形状与笛子相似。图2 4 为笛形管结构。气液混合物由 入口管引入，先进入联箱内的笛形管，在笛形管内分配。然后由笛形管下部的小孔 引出，在笛形管外壁与联箱内壁之间的环形空腔内分配，最后由出口分支管引出。 图2 _ 4 笛形管结构 2 3 2 改进方案 图2 - 5 笛形管与联箱配合图 方案一：笛形管( 由3 5 m m 5 r a m ) 与联箱同轴布置，笛形管小孔位置与出口 分支管位置对应，尺寸为巾9 m m 。 方案二：改变笛形管出口小孔尺寸。笛形管( 巾3 5 m m x5 m m ) 与联箱同轴布 置，将笛形管小孔尺寸减小到巾6 m m 。 方案三：改变笛形管出口小孔位置。笛形管( 由3 5 m m x5 m m ) 与联箱同轴布 置，将笛形管小孔分别向两边移动2 8 5 m m ，笛形管小孔尺寸为由9 m