顺列管束间气液两相流型及压降特性研究

1、第 31 卷 第 5 期2011 年 2 月 15 日中 国 电 机 工 程 学 报proceedings of the cseevol.31 no.5 feb.15, 2011©2011 chin.soc.for elec.eng.84文章编号：0258-8013 (2011) 05-0084-06中图分类号：o 359文献标志码：a学科分类号：470·10顺列管束间气液两相流型及压降特性研究洪文鹏，刘燕，任静秋(东北电力大学能源与动力工程学院，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 管束的压降。含气率 a 小于 0.15 和大于 0.67 时，大节距比管束的压降反而小于小节距比管束的压降。对压差波动信号的功率谱特征进行分析的结果表明，利用压差时域 信号的功率谱特性可以鉴别流型。关键词：气液两相流；顺列管束；高速摄像；流型；压降特性0引言在动力工程、石油化工、核能利用等领域广泛 存在气液两相流体绕流管束的流动现象，如冷凝 器、蒸发器及核反应堆蒸汽发生器等管壳式换热设 备1-2。管束间的气液两相流型对其绕流流动特性和

8、 传热规律有着重要的影响3，尤其是动力、原子能 工业的飞速发展，大容量高参数设备的引入，促使 设备的结构设计更加紧凑，对换热器的综合性能提 出了更高的要求。这类问题的研究已经成为多相流 体动力学基础研究和工程应用领域的一个重要研 究课题。目前国内外多位学者对管内气液两相流型、压 降、含气率及摩擦系数等进行了大量研究，而对气 液两相流体横掠管束流动特性的相关研究较少。 noghrehkar4 等利用探针法研究了空气-水混合物 垂直横掠节距比为 1.47 的水平顺列和错列管束时 的流型和含气率特性；ulbrich5等采用高速摄影机 对空气-水垂直掠过节距比为 1.5 的壳侧水平管束 压降轨迹和流型

9、进行观察，得出流型图6。贾峰7 等对垂直向上横掠水平光滑管束流动沸腾的两相 流型进行实验研究，并对压差波动信号进行功率谱 分析识别流型。此外，在流型识别方面，周云龙、孙斌等8-12key words: gas-liquidbundles; high-speed video;characteristicstwo-phase flow; in-lineflow patterns; pressuretubedrop摘要：采用高速摄像仪研究矩形通道内气液两相流体垂直向上横掠节距比 p/d 为 1.3 和 1.8 的顺列水平管束的流型，拍 摄到泡状流、间歇流和雾状流 3 种典型流型。采用气液折算 速度绘

10、制了流型图，发现在低折算液速和折算气速下与前人 研究较一致。对比分析了 2 种管束间不同流型的压降，结果 表明：2 种管束的泡状流压降最大，间歇流次之，雾状流最 小。含气率 a 在 0.150.67 范围内，p/d=1.8 管束的压降大对管内气液两相流压差波动信号进行混沌特性分析，重点应用 hurst 指数及功率谱解释两相流流 动变化，取得了较好的效果。白博峰等13-14对 u 形 管垂直上升段空气水两相流压差波动研究，得出 了压差波动的分维数。然而，针对不同节距比管束 间气液两相流型、压降特性及流型识别方面的研究 还很少。本文采用高速数字摄像仪采集分析了 2 种 顺列管束的流型信息，通过动态

11、数据采集系统测量 了不同流型时管束前后的压差波动信号，并对管束 间气液两相流型及压降特性进行了研究。1 实验装置及方法实验是在空气-水两相流系统上完成的。实验装 置如图 1 所示。该实验装置包括 3 部分，流体控制 系统、图像采集系统和动态数据采集系统。流体控 制系统有空气压缩机、两相混合器、旋风分离器、 水泵、水箱及实验段组成。水由水泵抽出经电磁流 量计计量后进入混合器。空气经空气压缩机和气体 孔板流量计计量后进入混合器。从混合器流出的气 水混合物，流经实验段，进行流动图像采集和压差 信号采集后进入旋风分离器，将空气分离出来并排 入大气，分离出的水流回水箱循环利用。旋风分离器主要有恒压直流电

12、源、压差变送器和数据采集仪组成。采集仪为 idts4516u 型 16 通道数据采集仪。压差变送器为 rosemount 3051s 电容式差压变送器，测量精度 0.05%。实验中压差动态数据的采集 频率 256 hz, 采集时间为 8 s。图 2 为实验测试段的管束布置。测试段是由厚10 mm 的有机玻璃板制成的长为 700 mm，截面为180 mm×65 mm 的矩形通道，分别布置节距比 p/d为 1.3 和 1.8 的 10×4 和 10×6 两种管束。管直径20 mm，长 65 mm，管束采用顺列布置。1821803626 测试圆柱 d=20 mmp/d=

13、1.8p/d=1.3图 2 测试段管束布置(单位：mm)fig. 2 the tube bundles layout in test section (mm)实验中，先调节水流量调节阀，将水流量调到 某一流量，再通过调节气体流量改变流经试验段 的总流量和含气率，重复上述步骤直到实验结束。 本文拍摄图像的大小为 1 53 6×1 02 4 ，帧频为1 000 帧/s。实验参数范围：温度 10 25 ，压力 0. 1 ccd0.3 mpa，气流量 0.0148 m3/h，水流量 215 m3/h。差压 变送器2 实验结果及分析2.1 两相流型及图像分析在本实验范围内，拍摄到了泡状流、间歇

14、流、 雾状流 3 种典型流型图像。如图 3 所示。定义某相 的折算速度是该相的体积流量与通道截面积的比值，usg 为气相折算速度，usl 为液相折算速度。泡 状流发生在液相折算速度较高且气相折算速度较 低的情况下(usg<(0.080.4)m/s)，气相以分散气泡的形式近似均匀的分散在连续液相中，气泡尺寸非常 小，近似球形或椭球形，此时气泡几乎不受管束位 置的影响。随着气相折算速度的增加，气泡在向上流动过 程中无规则运动，气泡相互碰撞结合成大的气团， 大的气团包围一个或多个圆柱，不均匀地分布在液相中形成间歇流，此时气泡和气团共存。空气压缩机孔板流量计计算机图 1 实验装置系统图schem

15、atic of experimental setupfig. 1图像采集系统主要包括照明系统和高速摄影系统。由于高速摄影机对光线的亮度有较高的要 求，照明系统的光源使用 6 400 k 色温的三基色光 管，光线明亮无闪烁。由于两相流流动变化复杂， 高速摄影系统采用瑞士公司研发的 speed cam visario 系统，其最大分辨率为 1 536×1 024，最大帧 频达到 10 000 帧/s，能够清晰的抓拍各种流型的瞬 变图像8。在图像摄取过程中，采用逆光照明9， 拍摄各种流态的阴影。为了使光线分布均匀，在光 源与实验段间布置两层硫酸纸。动态数据采集系统344254水箱光源p测

16、试 段v-1电磁流量计pp 离心式水泵两相i-9混合器2636中 国 电机工 程 学 报第 31 卷862.2 流型图图 5 为 2 种管束基于气相折算速度和液相折 算速度建立的流型图。由图可以看出，泡状流发 生在气相折算流速较低(usg<0.360.9 m/s)时，间歇 流则发生在气相折算速度为 0.4 m/s 到 1.0 m/s 范围 内，此区域内流型与液相折算速度无关。在气相 折算速度大于 0.7 m/s 且液相折算速度小于 0.3 m/s的区域内形成雾状流。当气相折算速度增大 (usg>0.4 m/s)时，随着 usl 的减小，依次出现泡状 流、间歇流、雾状流。泡状流到间歇

17、流的过渡流 态发生在 usg 从 0.36 m/s 到 0.9 m/s，usl 从 0.05 m/s 到 0.36 m/s 的区域。(a) p/d=1.8，泡状流(b) p/d=1.3，泡状流(c) p/d=1.8，间歇流(d) p/d=1.3，间歇流1.20.4(e) p/d=1.8，雾状流(f) p/d=1.3，雾状流0.3图 3 横掠管束的两相流型fig. 3 flow patterns across tube bundles间歇流动过程中，气团周围的小气泡，被卷吸 到气团中形成更大的气团，继而大的气团被下游的 圆柱挤变分散成小的气团或气泡，流动过程如图 4 所示。雾状流在气相折算速度较

18、高(usg>0.7 m/s)时发 生，此时除了小部分液体粘在管壁或在管束表面形 成一层液膜，大部分液体以液滴方式随气流一起流 动。当气相折算速度足够高时，管束表面液膜脱落。 在小节距管束中发现管束与管束之间偶尔会有流 桥15出现，随气相折算速度增加，流桥断裂。0.20.10.00.00.20.40.6usg/(m/s)图 5 流型图0.81.0 3.9 10fig. 5 flow pattern map图 5 同时给出了与前人所绘流型图的比较。图 中点划线和虚线所示流型图分别是由 ulbrich5和4noghrehkar 通过研究节距比为 1.5 的 10×5 和 24

19、5;5顺列管束所得。发生泡状流的气相折算速度和液相 折算速度范围与 ulbrich5流型图相似，存在于高液 相折算流速区。此时液相惯性力和剪切力能够克服表面张力并打破气液界面形成小气泡，随着气相折算速度的增加，相间速度差减小，沿流动方向惯性 力不足以有效地形成小气泡，剪切力却能够粉碎大 的气泡。间歇流和雾状流的发生区域存在明显差 异。与 noghrehkar4流型图相比，发生泡状流的气 相折算速度和液相折算速度范围相似，而发生间歇 流的液相折算区域较大，从 0.05 到 1.0 m/s，气相折(a) t=0.035 s(b) t=0.072 s(c) t=0.109 s(d) t=0.249

20、s算速度从 0.43.9 m/s,在 u >3.9 m/s 时转化为雾状sg流。存在差异的原因是结构尺寸、管束直径以及管间距不同造成的。2.3压降特性实验采集了 2 种节距比的顺列管束两端的压差 波动信号。2 种节距比管束间的不同流型对应的压差信号不同，流过 2 种管束间不同流型的压降如图(e) t=0.296 s图 4(f) t=0.376 s气团流动图fig. 4 images of gas slug flowusl/(m/s)p/d=1.3ulbrich and mewesp/d=1.8noghrehk.ar et al泡状流 雾状流 间歇流 6 所示。实验测得含气率在 0.150

21、.67 之间时，2 种管束间泡状流压降最大，间歇流次之，雾状流压降 最小。原因在于低质量流速垂直向上流动过程中，含气率在 0.150.67 范围内两相压降几乎由重力压 降决定(忽略加速压降)，而重力压降的大小与含气 率有密切关系，含气率小，重力压降大。泡状流的含气率最小，所以压降最大，间歇流压降次之，雾 状流最小。法对滤波信号功率谱分析，并采用 hanning 函数，保证所得功率谱是原信号的渐进无偏估计。图 7 和图 8 为典型压差波动信号及其对应的功 率谱密度分析，存在有以下规律：1）泡状流压差幅值小，波动能量最小，具有较大功率的信号频率范围较宽，分布在 06 hz 内，且 1 hz 以后呈

22、双峰分布。该区影响压差波动的根本原因在于气泡运动对流场的扰动，以及壁面和管束 诱导气泡产生的流场湍动，这些因素导致的波动幅 度低。1501451.00.50.01.51.00.01.00.50.02.01.51401351301250100200300400500x/mm图 6fig. 6沿管束流动方向的压力降比较pressure drop along the length ofthe channel for different patternsp/d=1.8 管束的压降大于 p/d=1.3 管束的压降。 节距比小时，管束密集，气液两相流体扰动强烈， 管束与管束间的相互干扰增强，下游圆柱的旋涡

23、强 度大大降低，上游圆柱的旋涡被抑制，导致阻力系 数减小，压降小。实验测得在含气率小于 0.15 和大 于 0.67 时，即流动分别接近于纯液相和纯气相的情 况下，p/d=1.8 管束的压降反而小于 p/d=1.3 管束 的压降。流体近似单相流体绕流管束，此时压降主 要由摩擦阻力产生，小节距比管束密，管束多，总 摩擦阻力大，产生压降大。2.4 压差信号功率谱分析两相流的压差波动过程包含了关于流动的大 量信息13，压差波动信号能够客观的提供与流型有关的大量信息，因而可以对不同流型的压差信号统 计分析，研究流型特性。由于压差波动过程是非平稳和非线性的过程，所以压差信号为随机信号，可 以采集某一时间

24、段内的样本信号，计算得出反映随 机过程的统计特性。功率谱函数16就是将原来对时间域的信号描述转化为频率域的信号描述,它反映 了随机过程统计参量在各个频率域上波动能量的 概率分布,是描述波动信号频域特征的简单有效的方法。 由于采集到的压差信号混有各种噪声，故分析之前对其预处理。本文采用切比雪夫最佳逼近理论对信号进行低通滤波，用改进的 welch 平均周期图3212.01.51.0012t/s34图 7 不同流型的压差波动信号fig. 7 the differential pressure fluctuation2）间歇流动，波动能量随折算气速增加而增加。此时液体和气团交替经过管束，引起流动压降，

25、尤其是重力压降的波动较大。由功率谱曲线可以看出，功率谱信号的幅值较泡状流大，能量集中分布在 0.5和 5 hz 左右，且 1 hz 以后呈单峰分布。主要是气团 和液体不同的流动结构和流动特性决定的。3）雾状流时，压差波动主要由位于矩形通道 壁内侧和管束表面上液膜的交替脱落产生扰动引 起，压差波动信号的能量较小，波动频率范围宽，其功率谱较分散地分布在 09 hz 内，在 1 hz 以后 呈多峰分布。由以上分析可以发现，不同流型其功率谱结构不同，间歇流、泡状流和雾状流的功率谱曲线在 1 hz以后分别呈单峰、双峰、多峰分布，并且间歇流波动能量最大，雾状流次之，泡状流最小，由此可见，基于压差波动信号的

26、功率谱特性可以鉴别流型。比较压差波动信号的幅值，可以发现，节距比为 1.3 的管束的压差信号幅值在 0.041.1 kpa 之间，节距比为 1.8 的管束的压差信号在 1.23.6 kpa 之p/kpap/kpap/d=1.3 泡状流p/d=1.3 间歇流p/d=1.3 雾状流p/d=1.8 泡状流p/d=1.8 间歇流p/d=1.8 雾状流p/d=1.8 泡状流 p/d=1.3 间歇流 雾状流 中国电机工 程 学 报第 31 卷8888管束的压降大于节距比 p/d=1.3 管束的压降。原因是节距比大时充分发展的尾流掠过管束形成旋涡 导致压降增加。4）对管束间气液两相流压差波动信号的功率 谱特

27、性分析，结果表明，基于压差波动信号的功率 谱特性可以鉴别流型。参考文献440005f/hz1005f/hz10(a) p/d=1.3，泡状流(b) p/d=1.8，泡状流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 陈斌，郭烈锦，张西民管束间气液两相流动特性研究进展j化 工机械，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，间歇流(d) p/d=1.8，间歇流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 贾峰，黄兴华，王利，等垂直向上横掠水平管束两相流型的实 验研究j上海交通大学学报，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) 周云龙，李洪伟，何强勇基于动态图像灰度波动信号垂直上升 管中油气水三相流流型的混沌特性分析j中国电机工程学报，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)周云龙，陈飞基于图像处理和 elman 神经网络的气液两相流流 型识别j中国电机工程学报，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)周云龙，王强，孙斌基于希尔伯特黄变换与 elman 神经网络的 气液两相流流型识别方法j中国电机工程学报，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，雾状流(f) p/d=1.8，雾状流图 8 功率谱fig. 8 power spectrum density间，2 种管束的压差信号幅值不同，节距比大的压 差信号幅值大，其原因是：气液两相流体在节距比 大时能充分的发展，尾流掠过管束导致摩擦压降增 加；而节距比小时，管束密集，气液两相流体扰动 强烈，相互影响，抑制了尾流漩涡的发展。3 结论1）采用高速摄像仪，拍摄到了泡状流、间歇 流、雾状流 3 种典型流型及气泡的流动发展过程。 基于实验数据建立了流型图，发现在低折算流速下 与

35、 ulbrich 和 noghrehkar 流型图吻合较好。2）含气率在本实验研究范围内，相同管束间 泡状流压降最大，间歇流次之，雾状流最小，此时重力压降起主要作用(忽略加速压降)。3）采用压差波动法研究不同节距下的压降特 性，含气率在 0.150.67 范围内，节距比 p/d=1.88910谱密度/(kpa)2.s)谱密度/(kpa)2.s)谱密度/(kpa)2.s)谱密度/(kpa)2.s)谱密度/(kpa)2.s)谱密度/(kpa)2.s)identification for gas-liquid two-phase flowjproceedings of thecsee，2007，27

36、(11)：50-56(in chinese) 孙斌，周云龙基于支持向量机和小波包能量特征的气液两相流 流型识别方法j中国电机工程学报，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) 孙斌，周云龙基于经验模式分解和概率神经网络的气液两相流识别j中国的电机工程学报，2007，27(17)：72-77in v