光學探針在氣液兩相流動局部參數測量中的應用研究

田道貴，孫立成，高 菲，劉靖宇，孫 波

（1.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 光纖傳感科學與技術黑龍江省重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引 言

在兩相流動的流動特性研究中，分別提出了均相流、分相流、漂移流、兩流體等模型［1］，并都得到了很好的發展。其中，兩流體模型被認為是最精確的一種模型，因為從機理上看，兩流體模型最能夠接近實際的物理過程。在兩流體模型的求解中，涉及到的局部界面面積濃度［1-6］這個關鍵參數，一般只能通過經驗關系式獲得，這限制了兩流體模型的推廣應用，因此在多相流領域，關于局部界面面積濃度的研究一直是重點之一。研究者采用多種實驗方法［4］來獲得這一參數，為理論研究提供實驗數據，其中探針方法［4-6］使用較多。Neal和Bankoff（1963）最先提出了電導探針的方法對兩相流動局部參數測量，接著Miller和Mitchie提出了光學探針的方法［7］。在探針方法中，電導探針具有機械強度高、結構簡單，制作容易的優點，一直以來受到研究者的普遍關注，但是要求被測介質導電性好，為提高導電性，常向被測介質中添加化學試劑［8］，而且電導探針信號響應速度慢。光學探針雖然不如電導探針應用廣泛，但是激光信號卻有著自己的獨特優勢，信號要比電導探針更為敏感，在界面經過傳感器時信號階躍變化更快，因此得到的數據精度也高于電導探針。然而，光學探針中使用的光纖很脆，容易斷裂，探針的制作處理要求非常精細，要真正做成一個能夠用于實驗參數測量的探針相當困難。 針對上述情況，實驗中成功設計制作出了雙傳感器光學探針，并將其應用于兩相流動實驗研究，對不同流動條件下相界面速度、局部時均空泡份額和局部時均界面面積濃度進行了測量。同時將探針測得的空泡份額與通過壓降方法［9-10］得出的值進行比較，驗證自制的雙傳感器光學探針的測量精度，從而為兩流體模型的完善和推廣應用奠定基礎。

1 光學探針的制作

1.1 雙傳感器光學探針的制作

探針制作可分成準備、組裝、測試和封裝4個過程。

探針制作中所使用的不銹鋼管具體尺寸如圖1所示。在準備階段，首先用剝線鉗將光纖封裝護套剝除約30cm。組裝時，先將切割打磨好的兩根直徑為0.5mm 的毛細管一起插入直徑為1.5mm 的管中，將一端露出5mm 左右，并使露出端兩端頭前后相差約0.5mm，將三根細管涂膠固定；把直徑為2.5mm 的90°彎管的一端套入4.5mm 的管中，并在兩管接合處涂膠封死；將兩根光纖從4.5mm 管的另一端穿入，從2.5mm 管一端穿出。接著用光纖剝線鉗剝出約3cm 的裸光纖，然后用光纖切割刀切平光纖端面，保留纖芯長2cm 左右。最后將兩根光纖分別從已經和1.5mm 管粘連一起的兩根0.5mm 管中穿出，露出的部分前后相距0.5～1mm。測試光纖切割端面時，先將光纖帶接頭端與光學探針信號轉換放大系統相連，再將切割端面分別置于水和空氣中，確認能否準確判斷出氣液兩相；之后將光纖端面快速插入拔出水面，檢測其對兩相變化的響應快慢。如果能夠準確判斷出氣液兩相，并能迅速響應兩相的變化，則可以進行最終的探針封裝操作。

圖1 雙傳感器光學探針Fig.1 Photo of the double-sensors optical probe

1.2 光學探針信號轉換放大系統

光學探針信號轉換放大系統由哈爾濱工程大學光纖傳感科學與技術重點實驗室制作，其工作原理如圖2所示。系統主要由光路和電路兩部分組成。在光路中，激光光源產生的激光，首先經Y 型分支路光纖耦合器等分成兩路輸入激光。圖2中表示的是其中一路輸入激光經耦合器分光后進入探針中的一根光纖，作為探針的其中一路入射光。入射激光在探頭端面發生反射，反射激光沿原路返回，再次經Y 型分支路光纖耦合器，并被等分成兩路，其中一路等分反射激光進入光信號接收裝置，并被光敏元件檢測轉換成電信號。由于光敏元件輸出的電信號很弱，先經過多級放大電路后輸出放大電信號至采集系統。

圖2 光學探針信號轉換放大系統原理圖Fig.2 Principle diagram of signal transforming and magnifying system for optical probe

2 光學探針測量方法驗證及應用

2.1 實驗回路簡介

實驗回路如圖3所示。實驗段為透明的有機玻璃圓管，管內徑為50.8mm。實驗工質為去離子水和空氣，水由離心泵提供動力，空氣則由壓氣機加壓后進入實驗回路?？諝夂退诨旌锨唬?，5］內混合形成大小基本一致且分布均勻的氣泡。水流量由可變量程質量流量計測量，氣流量由量程不同的3個轉子流量計測量。在實驗段高徑比為22處（以實驗段入口為起點）安裝探針，探針可沿管道徑向方向移動，以管道中心軸線為原點到管壁面間共設有12個測點，進行局部參數測量。在實驗段高徑比為24和34處，各安裝有一個精度為0.25%的壓力傳感器，實時測量實驗段中這兩個位置的靜壓。實驗中，氣相折算速度為0.015～0.059m／s，液相折算速度為0～0.138m／s。

圖3 實驗回路簡圖Fig.3 Schematic of the experimental loop

2.2 探針測量方法驗證

利用探針檢測的兩相流動相界面信號，一般先用閾值方法［7，11］將其轉換為方波脈沖信號再進行處理。通過探針得到的原始信號及處理后的方波脈沖信號如圖4所示，其中高電壓代表氣相，低電壓代表液相，一個脈沖波寬表示第j個氣泡通過探頭所經過的時間Δτj。使用探針進行局部空泡份額測量時，一般采用前探頭所檢測到相界面信號數據［6］。在測量時間間隔Ω內，根據前探頭檢測到的所有氣相出現的時間，結合式（1），即可得到局部時均空泡份額：

圖4 探針檢測原始信號及閾值化處理信號Fig.4 Raw signal and processed signal

式中（r）表示徑向r位置處的時均空泡份額；Nt表示測量時間間隔Ω內測得氣泡數目。

通過對流道中某個截面上所有的位置點的局部時均空泡份額進行積分平均，即可得到該截面上的時均空泡份額：

式中，〈α〉表示截面時均空泡份額；A表示探針測量點流道的橫截面積。

實驗中將由式（2）得到的截面空泡份額和由壓降方法得到的空泡份額進行比較，結果見圖5。從圖中可以看出，探針方法相對壓降方法測得空泡份額的誤差基本在15%以內，其平均誤差為8%，表明本實驗所制作的雙傳感器光學探針相對準確可靠，可用于氣液兩相流局部參數的測量。

圖5 探針法與壓降法測量空泡份額比較Fig.5 Comparison of the void fraction measured by optical probe against pressure method

3 光學探針測量應用

光學探針方法測量原理是根據光纖在液相和氣相介質中端面反射率不同，利用光通過光纖端面反射光強不同來判斷探針是處在氣相還是在液相介質中。通過探針測量方法除了可以獲得空泡份額，還可以對界面面積濃度、氣泡通過頻率、相界面速度、Sauter均徑、氣泡弦長等局部參數［2］進行測量。

當同一個相界面先后通過探針的前后探頭，則所經歷的時間差可用圖4所示的Δtj表示，又知道兩探頭間的距離為Δs，則第j層相界面在主流流動方向上的速度｜Vszj｜可表示為：

在兩相流動中，界面面積濃度是兩相流體之間通過相界面傳遞質量、動量和能量大小的決定因素之一，其物理意義是兩相混合體中單位體積內的相界面面積。在使用雙傳感器探針測量局部時均界面面積濃度的統計模型中，Kataoka模型比較好［6］，其表達式為：

式中表示局部時均界面面積濃度；N表示局部位置處單位時間內測得氣泡個數，即氣泡頻率；α0表示相界面速度與主流流動方向的最大夾角，是一個統計意義上的參量［1］。

實驗中測得的不同氣液流量下局部時均空泡份額、相界面平均速度和界面面積濃度（IAC）徑向分布見圖6。從圖6（a）中可以看出，在實驗條件下空泡份額在流道中間很大范圍內沿徑向變化平緩，在近壁面出現明顯的峰值，分布呈“壁峰型”［12］；且隨氣相流量增大，壁面附近分布峰越陡。從圖6（b）中可以看出，相界面速度在流道中間區域較高，且變化比較緩慢，在接近壁面時明顯降低；在氣流量相同時，流道中各處相界面速度隨水流量增大而明顯增大。圖6（c）中IAC的分布和圖6（a）的空泡份額分布基本相同，變化趨勢也一致。

圖6 局部流動參數徑向分布Fig.6 Radial profiles of the local flow parameters

4 結 論

（1）設計制作的雙傳感器光學探針能有效地識別氣液兩相信號，測得的空泡份額平均誤差為8%，探針測量精度比較高，可用于氣液兩相流局部參數的測量。

（2）自制的探針可應用于兩相流動中局部時均空泡份額、相界面速度、局部時均界面面積濃度等兩相流動局部參數的測量。

（3）在實驗條件下，空泡份額沿徑向呈“壁峰型”分布；相界面速度在管中間部分較高，近壁面較低；界面面積濃度沿管道徑向分布與空泡份額基本相同，變化趨勢也一致。

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