順列管束間氣液兩相流型及壓降特性研究

1、第 31 卷 第 5 期2011 年 2 月 15 日中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報proceedings of the cseevol.31 no.5 feb.15, 2011©2011 chin.soc.for elec.eng.84文章編號：0258-8013 (2011) 05-0084-06中圖分類號：o 359文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a學(xué)科分類號：470·10順列管束間氣液兩相流型及壓降特性研究洪文鵬，劉燕，任靜秋(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012)investigation on gas-liquid two-phase flow patter

2、ns andpressure drop across an in-line tube bundleshong wenpeng, liu yan, ren jingqiu(northeast dianli university, school of energy and power engineering, jilin 132012, jilin province, china)abstract: a high-speed video camera was used to studythe flow patterns in the rectangular channel of vertical

3、upward cross-flow of air and water in horizontal tube bundles. experiments were conducted using in-line tube bundles with a pitch-to-diameter ratio of 1.3 and 1.8. bubbly flow, intermittent flow and mist flow were identified by flow visualization, and a flow map was constructed as a function of gas

4、and liquid superficial velocities. comparison with previous studies revealed good agreement at low gas and liquid velocity. a comparative analysis of pressure drop of different flow pattern of both tube bundles was done. the results show that: the pressure drop of bubble flow is maximum, which is fo

5、llowed by intermittent flow and mist flow becomes the minimum. when the void fraction range from 0.15 to 0.67, the fluctuation pressure drop of tube bundles which with a pitch-to-diameter ratio of 1.3 is higher than the one with a pitch-to-diameter ratio of 1.8, and when the void fraction is bigger

6、than 0.67 or smaller than 0.15, the pressure drop of large pitch ratio is less than the small pitch ratio. based on the statistical analysis of the different pressure signals, the power spectrum density versus frequency of the signals for major flow patterns was obtained. it is found that the flow p

7、atterns can be identified in accordancewith the power spectrum density.于 p/d=1.3 管束的壓降。含氣率 a 小于 0.15 和大于 0.67 時，大節(jié)距比管束的壓降反而小于小節(jié)距比管束的壓降。對壓差波動信號的功率譜特征進(jìn)行分析的結(jié)果表明，利用壓差時域 信號的功率譜特性可以鑒別流型。關(guān)鍵詞：氣液兩相流；順列管束；高速攝像；流型；壓降特性0引言在動力工程、石油化工、核能利用等領(lǐng)域廣泛 存在氣液兩相流體繞流管束的流動現(xiàn)象，如冷凝 器、蒸發(fā)器及核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器等管殼式換熱設(shè) 備1-2。管束間的氣液兩相流型對其繞流流動特性和

8、 傳熱規(guī)律有著重要的影響3，尤其是動力、原子能 工業(yè)的飛速發(fā)展，大容量高參數(shù)設(shè)備的引入，促使 設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加緊湊，對換熱器的綜合性能提 出了更高的要求。這類問題的研究已經(jīng)成為多相流 體動力學(xué)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要研 究課題。目前國內(nèi)外多位學(xué)者對管內(nèi)氣液兩相流型、壓 降、含氣率及摩擦系數(shù)等進(jìn)行了大量研究，而對氣 液兩相流體橫掠管束流動特性的相關(guān)研究較少。 noghrehkar4 等利用探針法研究了空氣-水混合物 垂直橫掠節(jié)距比為 1.47 的水平順列和錯列管束時 的流型和含氣率特性；ulbrich5等采用高速攝影機(jī) 對空氣-水垂直掠過節(jié)距比為 1.5 的殼側(cè)水平管束 壓降軌跡和流型

9、進(jìn)行觀察，得出流型圖6。賈峰7 等對垂直向上橫掠水平光滑管束流動沸騰的兩相 流型進(jìn)行實驗研究，并對壓差波動信號進(jìn)行功率譜 分析識別流型。此外，在流型識別方面，周云龍、孫斌等8-12key words: gas-liquidbundles; high-speed video;characteristicstwo-phase flow; in-lineflow patterns; pressuretubedrop摘要：采用高速攝像儀研究矩形通道內(nèi)氣液兩相流體垂直向上橫掠節(jié)距比 p/d 為 1.3 和 1.8 的順列水平管束的流型，拍 攝到泡狀流、間歇流和霧狀流 3 種典型流型。采用氣液折算 速度繪

10、制了流型圖，發(fā)現(xiàn)在低折算液速和折算氣速下與前人 研究較一致。對比分析了 2 種管束間不同流型的壓降，結(jié)果 表明：2 種管束的泡狀流壓降最大，間歇流次之，霧狀流最 小。含氣率 a 在 0.150.67 范圍內(nèi)，p/d=1.8 管束的壓降大對管內(nèi)氣液兩相流壓差波動信號進(jìn)行混沌特性分析，重點應(yīng)用 hurst 指數(shù)及功率譜解釋兩相流流 動變化，取得了較好的效果。白博峰等13-14對 u 形 管垂直上升段空氣水兩相流壓差波動研究，得出 了壓差波動的分維數(shù)。然而，針對不同節(jié)距比管束 間氣液兩相流型、壓降特性及流型識別方面的研究 還很少。本文采用高速數(shù)字?jǐn)z像儀采集分析了 2 種 順列管束的流型信息，通過動態(tài)

11、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量 了不同流型時管束前后的壓差波動信號，并對管束 間氣液兩相流型及壓降特性進(jìn)行了研究。1 實驗裝置及方法實驗是在空氣-水兩相流系統(tǒng)上完成的。實驗裝 置如圖 1 所示。該實驗裝置包括 3 部分，流體控制 系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。流體控 制系統(tǒng)有空氣壓縮機(jī)、兩相混合器、旋風(fēng)分離器、 水泵、水箱及實驗段組成。水由水泵抽出經(jīng)電磁流 量計計量后進(jìn)入混合器。空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)和氣體 孔板流量計計量后進(jìn)入混合器。從混合器流出的氣 水混合物，流經(jīng)實驗段，進(jìn)行流動圖像采集和壓差 信號采集后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，將空氣分離出來并排 入大氣，分離出的水流回水箱循環(huán)利用。旋風(fēng)分離器主要有恒壓直流電

12、源、壓差變送器和數(shù)據(jù)采集儀組成。采集儀為 idts4516u 型 16 通道數(shù)據(jù)采集儀。壓差變送器為 rosemount 3051s 電容式差壓變送器，測量精度 0.05%。實驗中壓差動態(tài)數(shù)據(jù)的采集 頻率 256 hz, 采集時間為 8 s。圖 2 為實驗測試段的管束布置。測試段是由厚10 mm 的有機(jī)玻璃板制成的長為 700 mm，截面為180 mm×65 mm 的矩形通道，分別布置節(jié)距比 p/d為 1.3 和 1.8 的 10×4 和 10×6 兩種管束。管直徑20 mm，長 65 mm，管束采用順列布置。1821803626 測試圓柱 d=20 mmp/d=

13、1.8p/d=1.3圖 2 測試段管束布置(單位：mm)fig. 2 the tube bundles layout in test section (mm)實驗中，先調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥，將水流量調(diào)到 某一流量，再通過調(diào)節(jié)氣體流量改變流經(jīng)試驗段 的總流量和含氣率，重復(fù)上述步驟直到實驗結(jié)束。 本文拍攝圖像的大小為 1 53 6×1 02 4 ，幀頻為1 000 幀/s。實驗參數(shù)范圍：溫度 10 25 ，壓力 0. 1 ccd0.3 mpa，氣流量 0.0148 m3/h，水流量 215 m3/h。差壓 變送器2 實驗結(jié)果及分析2.1 兩相流型及圖像分析在本實驗范圍內(nèi)，拍攝到了泡狀流、間歇

14、流、 霧狀流 3 種典型流型圖像。如圖 3 所示。定義某相 的折算速度是該相的體積流量與通道截面積的比值，usg 為氣相折算速度，usl 為液相折算速度。泡 狀流發(fā)生在液相折算速度較高且氣相折算速度較 低的情況下(usg<(0.080.4)m/s)，氣相以分散氣泡的形式近似均勻的分散在連續(xù)液相中，氣泡尺寸非常 小，近似球形或橢球形，此時氣泡幾乎不受管束位 置的影響。隨著氣相折算速度的增加，氣泡在向上流動過 程中無規(guī)則運(yùn)動，氣泡相互碰撞結(jié)合成大的氣團(tuán)， 大的氣團(tuán)包圍一個或多個圓柱，不均勻地分布在液相中形成間歇流，此時氣泡和氣團(tuán)共存?？諝鈮嚎s機(jī)孔板流量計計算機(jī)圖 1 實驗裝置系統(tǒng)圖schem

15、atic of experimental setupfig. 1圖像采集系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)。由于高速攝影機(jī)對光線的亮度有較高的要 求，照明系統(tǒng)的光源使用 6 400 k 色溫的三基色光 管，光線明亮無閃爍。由于兩相流流動變化復(fù)雜， 高速攝影系統(tǒng)采用瑞士公司研發(fā)的 speed cam visario 系統(tǒng)，其最大分辨率為 1 536×1 024，最大幀 頻達(dá)到 10 000 幀/s，能夠清晰的抓拍各種流型的瞬 變圖像8。在圖像攝取過程中，采用逆光照明9， 拍攝各種流態(tài)的陰影。為了使光線分布均勻，在光 源與實驗段間布置兩層硫酸紙。動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)344254水箱光源p測

16、試 段v-1電磁流量計pp 離心式水泵兩相i-9混合器2636中 國 電機(jī)工 程 學(xué) 報第 31 卷862.2 流型圖圖 5 為 2 種管束基于氣相折算速度和液相折 算速度建立的流型圖。由圖可以看出，泡狀流發(fā) 生在氣相折算流速較低(usg<0.360.9 m/s)時，間歇 流則發(fā)生在氣相折算速度為 0.4 m/s 到 1.0 m/s 范圍 內(nèi)，此區(qū)域內(nèi)流型與液相折算速度無關(guān)。在氣相 折算速度大于 0.7 m/s 且液相折算速度小于 0.3 m/s的區(qū)域內(nèi)形成霧狀流。當(dāng)氣相折算速度增大 (usg>0.4 m/s)時，隨著 usl 的減小，依次出現(xiàn)泡狀 流、間歇流、霧狀流。泡狀流到間歇

17、流的過渡流 態(tài)發(fā)生在 usg 從 0.36 m/s 到 0.9 m/s，usl 從 0.05 m/s 到 0.36 m/s 的區(qū)域。(a) p/d=1.8，泡狀流(b) p/d=1.3，泡狀流(c) p/d=1.8，間歇流(d) p/d=1.3，間歇流1.20.4(e) p/d=1.8，霧狀流(f) p/d=1.3，霧狀流0.3圖 3 橫掠管束的兩相流型fig. 3 flow patterns across tube bundles間歇流動過程中，氣團(tuán)周圍的小氣泡，被卷吸 到氣團(tuán)中形成更大的氣團(tuán)，繼而大的氣團(tuán)被下游的 圓柱擠變分散成小的氣團(tuán)或氣泡，流動過程如圖 4 所示。霧狀流在氣相折算速度較

18、高(usg>0.7 m/s)時發(fā) 生，此時除了小部分液體粘在管壁或在管束表面形 成一層液膜，大部分液體以液滴方式隨氣流一起流 動。當(dāng)氣相折算速度足夠高時，管束表面液膜脫落。 在小節(jié)距管束中發(fā)現(xiàn)管束與管束之間偶爾會有流 橋15出現(xiàn)，隨氣相折算速度增加，流橋斷裂。0.20.10.00.00.20.40.6usg/(m/s)圖 5 流型圖0.81.0 3.9 10fig. 5 flow pattern map圖 5 同時給出了與前人所繪流型圖的比較。圖 中點劃線和虛線所示流型圖分別是由 ulbrich5和4noghrehkar 通過研究節(jié)距比為 1.5 的 10×5 和 24

19、5;5順列管束所得。發(fā)生泡狀流的氣相折算速度和液相 折算速度范圍與 ulbrich5流型圖相似，存在于高液 相折算流速區(qū)。此時液相慣性力和剪切力能夠克服表面張力并打破氣液界面形成小氣泡，隨著氣相折算速度的增加，相間速度差減小，沿流動方向慣性 力不足以有效地形成小氣泡，剪切力卻能夠粉碎大 的氣泡。間歇流和霧狀流的發(fā)生區(qū)域存在明顯差 異。與 noghrehkar4流型圖相比，發(fā)生泡狀流的氣 相折算速度和液相折算速度范圍相似，而發(fā)生間歇 流的液相折算區(qū)域較大，從 0.05 到 1.0 m/s，氣相折(a) t=0.035 s(b) t=0.072 s(c) t=0.109 s(d) t=0.249

20、s算速度從 0.43.9 m/s,在 u >3.9 m/s 時轉(zhuǎn)化為霧狀sg流。存在差異的原因是結(jié)構(gòu)尺寸、管束直徑以及管間距不同造成的。2.3壓降特性實驗采集了 2 種節(jié)距比的順列管束兩端的壓差 波動信號。2 種節(jié)距比管束間的不同流型對應(yīng)的壓差信號不同，流過 2 種管束間不同流型的壓降如圖(e) t=0.296 s圖 4(f) t=0.376 s氣團(tuán)流動圖fig. 4 images of gas slug flowusl/(m/s)p/d=1.3ulbrich and mewesp/d=1.8noghrehk.ar et al泡狀流 霧狀流 間歇流 6 所示。實驗測得含氣率在 0.150

21、.67 之間時，2 種管束間泡狀流壓降最大，間歇流次之，霧狀流壓降 最小。原因在于低質(zhì)量流速垂直向上流動過程中，含氣率在 0.150.67 范圍內(nèi)兩相壓降幾乎由重力壓 降決定(忽略加速壓降)，而重力壓降的大小與含氣 率有密切關(guān)系，含氣率小，重力壓降大。泡狀流的含氣率最小，所以壓降最大，間歇流壓降次之，霧 狀流最小。法對濾波信號功率譜分析，并采用 hanning 函數(shù)，保證所得功率譜是原信號的漸進(jìn)無偏估計。圖 7 和圖 8 為典型壓差波動信號及其對應(yīng)的功 率譜密度分析，存在有以下規(guī)律：1）泡狀流壓差幅值小，波動能量最小，具有較大功率的信號頻率范圍較寬，分布在 06 hz 內(nèi)，且 1 hz 以后呈

22、雙峰分布。該區(qū)影響壓差波動的根本原因在于氣泡運(yùn)動對流場的擾動，以及壁面和管束 誘導(dǎo)氣泡產(chǎn)生的流場湍動，這些因素導(dǎo)致的波動幅 度低。1501451.00.50.01.51.00.01.00.50.02.01.51401351301250100200300400500x/mm圖 6fig. 6沿管束流動方向的壓力降比較pressure drop along the length ofthe channel for different patternsp/d=1.8 管束的壓降大于 p/d=1.3 管束的壓降。 節(jié)距比小時，管束密集，氣液兩相流體擾動強(qiáng)烈， 管束與管束間的相互干擾增強(qiáng)，下游圓柱的旋渦

23、強(qiáng) 度大大降低，上游圓柱的旋渦被抑制，導(dǎo)致阻力系 數(shù)減小，壓降小。實驗測得在含氣率小于 0.15 和大 于 0.67 時，即流動分別接近于純液相和純氣相的情 況下，p/d=1.8 管束的壓降反而小于 p/d=1.3 管束 的壓降。流體近似單相流體繞流管束，此時壓降主 要由摩擦阻力產(chǎn)生，小節(jié)距比管束密，管束多，總 摩擦阻力大，產(chǎn)生壓降大。2.4 壓差信號功率譜分析兩相流的壓差波動過程包含了關(guān)于流動的大 量信息13，壓差波動信號能夠客觀的提供與流型有關(guān)的大量信息，因而可以對不同流型的壓差信號統(tǒng) 計分析，研究流型特性。由于壓差波動過程是非平穩(wěn)和非線性的過程，所以壓差信號為隨機(jī)信號，可 以采集某一時間

24、段內(nèi)的樣本信號，計算得出反映隨 機(jī)過程的統(tǒng)計特性。功率譜函數(shù)16就是將原來對時間域的信號描述轉(zhuǎn)化為頻率域的信號描述,它反映 了隨機(jī)過程統(tǒng)計參量在各個頻率域上波動能量的 概率分布,是描述波動信號頻域特征的簡單有效的方法。 由于采集到的壓差信號混有各種噪聲，故分析之前對其預(yù)處理。本文采用切比雪夫最佳逼近理論對信號進(jìn)行低通濾波，用改進(jìn)的 welch 平均周期圖3212.01.51.0012t/s34圖 7 不同流型的壓差波動信號fig. 7 the differential pressure fluctuation2）間歇流動，波動能量隨折算氣速增加而增加。此時液體和氣團(tuán)交替經(jīng)過管束，引起流動壓降，

25、尤其是重力壓降的波動較大。由功率譜曲線可以看出，功率譜信號的幅值較泡狀流大，能量集中分布在 0.5和 5 hz 左右，且 1 hz 以后呈單峰分布。主要是氣團(tuán) 和液體不同的流動結(jié)構(gòu)和流動特性決定的。3）霧狀流時，壓差波動主要由位于矩形通道 壁內(nèi)側(cè)和管束表面上液膜的交替脫落產(chǎn)生擾動引 起，壓差波動信號的能量較小，波動頻率范圍寬，其功率譜較分散地分布在 09 hz 內(nèi)，在 1 hz 以后 呈多峰分布。由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，不同流型其功率譜結(jié)構(gòu)不同，間歇流、泡狀流和霧狀流的功率譜曲線在 1 hz以后分別呈單峰、雙峰、多峰分布，并且間歇流波動能量最大，霧狀流次之，泡狀流最小，由此可見，基于壓差波動信號的

26、功率譜特性可以鑒別流型。比較壓差波動信號的幅值，可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)距比為 1.3 的管束的壓差信號幅值在 0.041.1 kpa 之間，節(jié)距比為 1.8 的管束的壓差信號在 1.23.6 kpa 之p/kpap/kpap/d=1.3 泡狀流p/d=1.3 間歇流p/d=1.3 霧狀流p/d=1.8 泡狀流p/d=1.8 間歇流p/d=1.8 霧狀流p/d=1.8 泡狀流 p/d=1.3 間歇流 霧狀流 中國電機(jī)工 程 學(xué) 報第 31 卷8888管束的壓降大于節(jié)距比 p/d=1.3 管束的壓降。原因是節(jié)距比大時充分發(fā)展的尾流掠過管束形成旋渦 導(dǎo)致壓降增加。4）對管束間氣液兩相流壓差波動信號的功率 譜特

27、性分析，結(jié)果表明，基于壓差波動信號的功率 譜特性可以鑒別流型。參考文獻(xiàn)440005f/hz1005f/hz10(a) p/d=1.3，泡狀流(b) p/d=1.8，泡狀流1khalid b，david a mexperimental and numerical investigation oftwo-phase pressure drop in vertical cross-flow over a horizatal tube bundlejapplied thermal engineering，2009，29(3)：1536-1365 yoshitaka m，akio ttwo-phase

28、flow patterns in a four by four rod bundlejjournal of nuclear and technology，2007，44(6)：894-901 陳斌，郭烈錦，張西民管束間氣液兩相流動特性研究進(jìn)展j化 工機(jī)械，1999，26(2)：105-109chen bin，guo liejin，zhang ximindynamics of two-phase flow across horizontal tube bundlesjjournal of chemical industry and engineering，1999，26(2)：105-109(i

29、n chinese)noghrehkar g r，kawaji m，chan a m cinvestigation of two-phase8824430005f/hz1005f/hz104(c) p/d=1.3，間歇流(d) p/d=1.8，間歇流flowregimesintubebundlesundercross-flow88conditionjinternational journal of multiphase flow，1999，25(5)：857-874ulbrich rmewes dvertical, upward gas-liquid two-phase flow across

30、 a tube bundlejinternational journal of multiphase flow，1994，20(2)：249-272.gherhardt r，thome j rtwo-phase flow and heat transfer across horizontal tube bundlesa reviewjheat transfer engineering，2007，28(6)：508-524 賈峰，黃興華，王利，等垂直向上橫掠水平管束兩相流型的實 驗研究j上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，40(2)：346-349jia feng，huang xinghua，wang

31、li，et alexperimental study on the two-phase flow pattern of r134a in a horizontal tube bundle undervertical upward cross-flow conditionsj journal of shanghaijiaotong university，2006，40(2)：346-349(in chinese) 周云龍，李洪偉，何強(qiáng)勇基于動態(tài)圖像灰度波動信號垂直上升 管中油氣水三相流流型的混沌特性分析j中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28(35)：49-56zhou yunlong，li hong

32、wei，he qiangyongchaotic characteristic analysis of oil-air-water three-phase flow in vertical upward pipe based on image gray signalsjproceedings of the csee，2008，28(35)：49-56(in chinese)周云龍，陳飛基于圖像處理和 elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流流 型識別j中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(29)：108-112zhou yunlong ， chen fei identification method of

33、gas-liquid two-phase flow regime based on images processing and elman neural networkjproceedings of the csee，2007，27(29)：108-112(in chinese)周云龍，王強(qiáng)，孫斌基于希爾伯特黃變換與 elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 氣液兩相流流型識別方法j中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(11)：50-56zhou yunlong ， wang qiang ， sun bin applied study ofhilbert-huang transform and elman neur

34、al network on flow regime54460005f/hz1005f/hz107(e) p/d=1.3，霧狀流(f) p/d=1.8，霧狀流圖 8 功率譜fig. 8 power spectrum density間，2 種管束的壓差信號幅值不同，節(jié)距比大的壓 差信號幅值大，其原因是：氣液兩相流體在節(jié)距比 大時能充分的發(fā)展，尾流掠過管束導(dǎo)致摩擦壓降增 加；而節(jié)距比小時，管束密集，氣液兩相流體擾動 強(qiáng)烈，相互影響，抑制了尾流漩渦的發(fā)展。3 結(jié)論1）采用高速攝像儀，拍攝到了泡狀流、間歇 流、霧狀流 3 種典型流型及氣泡的流動發(fā)展過程。 基于實驗數(shù)據(jù)建立了流型圖，發(fā)現(xiàn)在低折算流速下 與

35、 ulbrich 和 noghrehkar 流型圖吻合較好。2）含氣率在本實驗研究范圍內(nèi)，相同管束間 泡狀流壓降最大，間歇流次之，霧狀流最小，此時重力壓降起主要作用(忽略加速壓降)。3）采用壓差波動法研究不同節(jié)距下的壓降特 性，含氣率在 0.150.67 范圍內(nèi)，節(jié)距比 p/d=1.88910譜密度/(kpa)2.s)譜密度/(kpa)2.s)譜密度/(kpa)2.s)譜密度/(kpa)2.s)譜密度/(kpa)2.s)譜密度/(kpa)2.s)identification for gas-liquid two-phase flowjproceedings of thecsee，2007，27

36、(11)：50-56(in chinese) 孫斌，周云龍基于支持向量機(jī)和小波包能量特征的氣液兩相流 流型識別方法j中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25(17)：93-99 sun bin ， zhou yun-long identification method of gas-liquidtwo-phase flow regime based on support vector machine and wavelet packet energy featurejproceedings of the csee，2005，25(17)：93-99(in chinese) 孫斌，周云龍基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夂透怕噬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流識別j中國的電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(17)：72-77in v