水平管氣液兩相鈍體繞流穩(wěn)定性的實驗研究*

李延巖， 孫宏軍

(1.天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072；2.過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072)

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研究與探討

水平管氣液兩相鈍體繞流穩(wěn)定性的實驗研究*

李延巖1,2， 孫宏軍1,2

(1.天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072；2.過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072)

通過對水平管氣液兩相鈍體繞流中的泡狀流和段塞流進(jìn)行實驗研究，從重復(fù)性、斯特勞哈爾數(shù)(St)隨體積含氣率的變化和不同體積含氣率的斯特勞哈爾數(shù)相關(guān)性三個方面對渦街穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出體積含氣率在15 %以內(nèi)能形成穩(wěn)定渦街，大于15 %時，穩(wěn)定渦街受到破壞，但仍有漩渦脫落的結(jié)論。實驗結(jié)果表明：三種方法所得結(jié)果具有一致性，且穩(wěn)定可靠。

氣液兩相； 鈍體繞流； 斯特勞哈爾數(shù)； 重復(fù)性

0　引　言

鈍體繞流現(xiàn)象廣泛存在于工業(yè)現(xiàn)場和實際生活中。氣液兩相鈍體繞流較常見的情形：火力發(fā)電廠中鍋爐汽包供給蒸汽的計量、核電站輕水反應(yīng)堆[1]、各種殼管式熱交換器、原油開采與輸運等。

國內(nèi)外學(xué)者對氣液兩相鈍體繞流做了許多有益的研究工作。Hulin J P等人[2]研究了氣液兩相繞流兩鈍體的渦街脫落特性，指出來流截面含氣率小于10 %時可得到穩(wěn)定的卡門渦街。Yokosawa M等人[3]用平板研究兩相泡狀流的尾流，定量展現(xiàn)出兩相流尾流的形狀并討論了其特性。盧家才等人[4，5]研究了矩形截面管內(nèi)氣液兩相沖刷柱體時，斯特勞哈爾數(shù)(St)數(shù)和脈動升力系數(shù)隨雷諾數(shù)和來流含氣率的變化關(guān)系。戴瑋等人[6]分別對電導(dǎo)和電容傳感器在氣水和油氣的條件下進(jìn)行兩相流層流標(biāo)定實驗，得出電導(dǎo)和電容傳感器的輸出均和管道內(nèi)含液率有良好的線性關(guān)系。李永光等人[7～9]研究了空氣和水兩相繞流兩種尺寸的T形柱體產(chǎn)生渦街時氣液兩相斯特勞哈爾數(shù)的變化規(guī)律，獲得了兩相斯特勞哈爾數(shù)、來流截面含氣率、水流量三者之間的關(guān)系。何泳成等人[10]基于雙截面電阻層析成像技術(shù)進(jìn)行氣液兩相流的相關(guān)速度測試研究，分析了相關(guān)速度的測量原理，提出了基于截面含氣率的相關(guān)測速方法。

本文研究不同體積含氣率β和流速下氣液兩相鈍體繞流的特性。

1　渦街分離原理

流體的繞流運動會產(chǎn)生旋渦分離，目前常用發(fā)生體為三角柱結(jié)構(gòu)，如圖1所示，發(fā)生體左側(cè)箭頭為流體運動方向，u為來流速度，p為壓力，AB為迎流面,AE和DB為流體截面、直角坐標(biāo)系x，y。

圖1　渦街分離原理示意圖

流體流經(jīng)AB迎流面， x方向流速降為0，y方向流速先增大后減小。B處的實際流速方向為k。實際流體有粘性，在斜邊AC和BC上產(chǎn)生邊界層，邊界層外流體作減速增壓，邊界層內(nèi)流體出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。到達(dá)一定程度產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象，在后端形成兩列漩渦，即卡門渦街。渦街頻率f與來流流速u的關(guān)系為

(1)

式中f為渦街頻率，Hz；St為斯特勞哈爾數(shù)；u為管道來流速度，m/s；d為發(fā)生體迎流面寬度，m；D為管道直徑，m。

2　實驗系統(tǒng)

在天津大學(xué)過程檢測與控制重點實驗室三相流實驗裝置DN50管段上進(jìn)行實驗。實驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　實驗系統(tǒng)裝置圖

兩相介質(zhì)為水和空氣。空氣經(jīng)過濾器過濾、壓縮機(jī)加壓和冷干機(jī)降濕后送入儲氣緩沖罐2，儲氣罐和計量管段之間安裝穩(wěn)壓閥，保證氣路壓力穩(wěn)定。調(diào)節(jié)控制閥可調(diào)節(jié)氣流量的大小。從引射器噴出的氣液混合流經(jīng)過直管段充分發(fā)展后，進(jìn)入實驗管段。實驗條件：水為連續(xù)相，氣為離散相，溫度為20 ℃，液相流量點為：7,8,9,10 m3/h；體積含氣率：0 %～20 %。實驗流型：β>3 %時，為段塞流；β<4 %時，為泡狀流。采用有機(jī)玻璃透明管道，在發(fā)生體后1.5D(D為水平管道內(nèi)徑)處安裝壓電探頭檢測渦街信號，在發(fā)生體前5D處取壓，以檢測流場壓力變化。渦街信號和壓力信號采用NI—6009板卡進(jìn)行采集并通過LabVIEW軟件實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)記錄。

3　實驗結(jié)果與分析

3.1含氣率對渦街信號的影響

對于氣液兩相流來說，離散相的加入必會對渦街的產(chǎn)生和發(fā)展造成影響，且隨著離散相的增多，這種影響會不斷加強。下面以體積含氣率β為特征量，分析空氣的加入給渦街信號帶來的影響。

由圖3知，β=0 %時渦街信號穩(wěn)定性最好且信號幅值最大。當(dāng)β≤15 %時，隨著β增加，渦街信號變得不規(guī)則，穩(wěn)定性逐漸變差，有很大衰減，但仍能采集到較穩(wěn)定的渦街信號。當(dāng)β>15 %時，隨著β增加，渦街信號產(chǎn)生很大波動，穩(wěn)定性極差，仍有旋渦脫落，但已檢測不出穩(wěn)定渦街信號。當(dāng)β>20 %時，采集的信號基本上是干擾信號。可得，β=15 %為渦街信號穩(wěn)定與不穩(wěn)定的分界點。

圖3　不同體積含氣率下的渦街信號圖

3.2渦街穩(wěn)定性分析

3.2.1渦街信號重復(fù)性分析

氣液兩相流中，隨著體積含氣率β不斷增大，渦街有一定耗散，且逐漸不穩(wěn)定，實驗的可重復(fù)性就變差。重復(fù)性σ表征測量結(jié)果的一致性，選 σ作為判斷氣液兩相流穩(wěn)定性的依據(jù)，其公式如下

(2)

σ=[σi]max

(3)

式中fij為第i個實驗點第j次檢測的渦街頻率值；fi為第i個實驗點的渦街平均頻率值；σi為第i個實驗點渦街頻率值的重復(fù)性。

由圖4可知，當(dāng)體積含氣率β≤15 %時，每個流量下各實驗點的渦街頻率重復(fù)性在5 %以內(nèi)，重復(fù)性較好，流場比較穩(wěn)定；當(dāng)體積含氣率β>15 %時，渦街頻率重復(fù)性基本上大于5 %，重復(fù)性變差，流場變得不穩(wěn)定。

圖4　重復(fù)性隨體積含氣率變化圖

3.2.2氣液兩相流斯特勞哈爾數(shù)分析

斯特勞哈爾數(shù)是分析氣液兩相流動穩(wěn)定性的主要參數(shù)。在單相流中，斯特勞哈爾數(shù)(St)在一定雷諾數(shù)(Re)范圍內(nèi)為常數(shù)，在氣液兩相流中，St由式(4)計算可得

(4)

式中

(5)

式中f為氣液兩相渦街頻率，Hz； w為渦街發(fā)生體體征尺寸，m；u為氣液兩相混合物經(jīng)過發(fā)生體時的平均流速，m/s；A為發(fā)生體兩側(cè)有效截面積，如圖5中陰影部分所示，m2；Qvg為液相體積流量，m3/h；Qvl為氣相體積流量，m3/h；

圖5　發(fā)生體前部截面圖

由圖6知，β≤15 %時，各流量點下St隨β 增大而減小，相關(guān)性較強； β>15 %時，St變化雜亂無章，沒有明顯規(guī)律，可推斷每個流量下β≤15 %時有穩(wěn)定渦街產(chǎn)生。

圖6　斯特勞哈爾數(shù)隨體積含氣率變化散點圖

3.2.3斯特勞哈爾數(shù)St相關(guān)系數(shù)分析

由圖7知,對各流量點分β≤15 %,15 %<β≤20 %兩種情形的St隨β變化進(jìn)行線性擬合，對比相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。以8m3/h為例，當(dāng)β≤15 %時，近似成線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為y=-0.073 6×10-4x + 0.165 2，相關(guān)系數(shù)R為-0.889 2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 53；當(dāng)15 %<β≤20 %時，R為-0.152 8，標(biāo)準(zhǔn)差0.004 14，明顯不相關(guān)，且誤差很大。

圖7　St隨β變化圖

7,9,10 m3/h流量點的St隨β變化擬合結(jié)果如表1所示：β≤15 %時，St隨β增大而線性減小，線性相關(guān)性好，說明渦街較穩(wěn)定；15 %<β≤20 %時，St變化與β變化相關(guān)性不強，偏差較大，說明此β下無穩(wěn)定渦街生成。所以渦街從穩(wěn)定到不穩(wěn)定是一個漸變的過程。

表1　各流量點在兩種情形下St的相關(guān)系數(shù)

4　結(jié)　論

本文從重復(fù)性、氣液兩相斯特勞哈爾數(shù)(St)隨體積含氣率β的變化和斯特勞哈爾數(shù)(St)的相關(guān)性三個方面對渦街穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出相同流量下，當(dāng)β≤15 %時，有穩(wěn)定渦街產(chǎn)生;當(dāng)β>15 %時，依然存在旋渦脫落，但由于氣相對旋渦耗散的作用，渦街穩(wěn)定性逐漸被破壞直至無法形成。

[1]Schroeder H J.Chemistry in nuclear-power stations with light water-reactors[J].Chemiker-zeitung, 1984, 108(2):55-64.

[2]Hulin J P，F(xiàn)ierfort C，Condol R.Experimental study of vortox emission behind bluff obstacles in a gas-liquid vertical two-phase flow[J].International Journal of Multiphase Folw，1982，8(5)：475-490.

[3]Yokosawa M, Kozawa Y, Inoue A.Studies on two-phase cross flow, part II:Transition Reynolds number and drag and drag coefficient[J].Int’ J of Multiphase Flow, 1986, 12(2):169-184.

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[5]Lu Jiacai，Xie Zhengwu，Wang Yangpeng.Pressure distribution around circular cylinder for gas-liquid two-phase cross flow[J].Journal of Xi’an Jiao Tong University，1999，33(1)：55-58.

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[9]李永光，林宗虎.氣液兩相繞流柱體時的渦街特性的研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，1994,11(1):37-40.

[10] 何泳成，王化祥，張立峰，等.基于截面含氣率的氣/液兩相相關(guān)速度測量[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(10):103-106.

Experimental research on stability of gas-liquid two-phase flow around bluff body in horizontal pipe*

LI Yan-yan1,2， SUN Hong-jun1,2

(1.School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Key Laboratory of Process Measurement and Control, Tianjin 300072，China)

Experimental researches are carried out on bubble flow and slug flow of flow around bluff body in horizontal gas-liquid two-phase flow.Stability of vortex street is analyzed based on repeatability, variation trend ofStand correlation research ofStwith changing volume void fraction.It is concluded that the flow field can produce a stable vortex street when volume void fraction is within 15 % but the stable vortex street is destroyed and it can still produce vortex street when volume void fraction is greater than 15 %.Experimental studies show that the results of three methods are consistent and have good stability.

gas-liquid two-phase flow； flow around bluff body； Strouhal number； repeatability

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0005—04

2015—11—11

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(50906061)

TH 814

A

1000—9787(2016)09—0005—04

李延巖(1990-)，男，河南焦作人，碩士研究生,主要研究方向為傳感器技術(shù)與信號處理、流體參數(shù)檢測與數(shù)值仿真。