高压管气过程中气固两相流动状态分析

高压管气过程中气固两相流动状态分析

1容器导管截面尺寸、厚度、流场管道中的气体流动受到了广泛的研究。研究表明，当容器内压力与出口压力之比大于临界值时，气体流动处于阻塞状态。但这些研究中气体的放气压力均在大气压力之上,当出口压力为真空或容器内压力从正压放至一定的真空时,其放气过程可能与以上研究有所差别;容器导管的截面尺寸和长度、气体种类以及出口的真空度等因素也可能对放气过程有较大的影响。因此进行一系列试验来研究容器对真空的放气过程以及上述因素与容器放气时间、剩余压力的关系。2真空罐及测压系统试验系统由放气容器、放气容器导管、连接导管、放气系统组件、真空罐及真空抽气系统、真空及压力测量系统等组成,如图1所示。为了使放气过程中真空罐(约2m3)内真空度尽可能高,需要使真空抽气系统在不同真空度范围内具有较大抽速,因此配置一个真空机组,包括机械泵、罗茨泵、分子泵,抽速依次为15L/s、70L/s、500L/s。放气容器抽真空采用涡旋式干泵,抽速为3.5L/s。放气容器导管分为串联两部分:I部分内径为φ1.0mm,长度为15mm;II部分内径为φ1.0mm或2.0mm,长度为35mm、70mm或95mm。连接导管内径φ3mm,长约800mm,放气系统组件内径为φ6mm,长约400mm。真空罐的真空测量采用1333Pa薄膜电容规(LeyboldCTR100);容器的压力测量系统由1只1MPa压力传感器、1只35kPa压力传感器和1只1333Pa薄膜电容规组成,分别测量容器内不同压力段的压力。放气试验过程中,真空度及压力数据的采集采用Agilent34970A数采系统,采集时间间隔为0.2~0.5s。3真空罐内真空度试验在试验系统各部件检漏合格后,连接好整个试验系统及测试系统,关闭真空罐与容器之间的阀门,开动真空机组对真空罐抽真空,使用干泵对容器抽真空,然后向容器内充入0.6MPa(绝对压力)的氩气(或氦气)。待真空罐内真空度小于0.1Pa时,打开真空罐与容器之间的阀门即开始试验,试验结束以放气组件内真空度达到某一值或放气时间达到某一值为准。试验条件的改变包括试验所用的气体(氩气或氦气)、容器导管的长度及内径、放气过程中抽真空使用的真空泵组。4试验结果4.1容器内压力下降不同状态的试验中,容器压力变化曲线及真空罐真空度变化曲线形状相似。其中第一轮试验容器内压力变化曲线如图2所示(图中小图为大图部分区域的放大,下同)。由图2可以看出,在前200s内容器内压力下降非常快,由600kPa降到24.6kPa,放掉了容器内充入气体的96%。300s以后,容器内压力下降逐渐放慢,600s以后压力下降速率更进一步降低。此外,在600k~10kPa的范围内,压力的对数与时间呈现较好的线性;在2~0.6kPa的范围内,压力的对数与时间基本呈线性关系。图3为放气过程中真空罐内真空度的变化情况,可以看出,在放气开始后真空罐内的压力快速上升,在约40s时达到最大压力(494Pa)。约300s后,真空罐内的压力降低到5Pa以下,500s以后则一直维持在0.5Pa以下。4.2压力对放和放的影响在其他状态相同的条件下,放氩与放氦试验结果如图4、图5所示(容器导管长度分别50mm、85mm)。由图4及图5可以看出,放氩要比放氦慢得多,到达同一压力值时,放氩所需的时间明显比放氦要长,如在容器导管长50mm时,放氩气达到1000Pa所用的时间为652s,而放氦所用的时间为475s。图6为到达同一压力值时放氩与放氦所需时间之差:随着压力的降低,时间差越来越大,但当压力低于2kPa后,时间差增大的速度明显降低。若放气均从2kPa开始(图7),放氦与放氩之间的差别很小,达到同一压力所需的时间最大仅差21s。比较图4和图7可以看出,放氦与放氩的时间差主要来自压力从600kPa降低至5~10kPa的过程,再继续下降时,两者的时间差增加很少。对于容器导管长85mm时也有相似的结论。4.3容器导管至压力图8为容器导管内径同为1mm,长度分别为50mm、85mm、110mm的3种状态下容器内压力-时间曲线(使用氦气)。可以看出,随着导管长度的增加,容器内压力下降速度越来越慢,压力越低时下降速度越慢。图9为3种状态下容器压力到达同一值时所需时间之差(以50mm的状态为基准)。可以看出:在压力较高(大于10kPa)时,导管长85mm、110mm的状态到达同一压力所需的时间与50mm的状态差别不大(分别为38s、87s);但当压力降低到5kPa以下时,3种状态到达同一压力所需的时间差显著增加,并随着压力的降低而愈加明显。在压力达到1kPa时,与容器导管长50mm的状态相比,导管长85mm、110mm的状态所需的时间分别长186s和400s,显然导管长110mm的状态所需的时间长得多。图10为容器导管内径同为1mm,长度分别为50mm、85mm的两种状态下容器内压力-时间曲线(都使用氩气)。图11为两种状态下,容器压力到达同一值时所需时间之差。可以看出,与放氦试验相似,随着导管长度的增加,容器内压力下降速度越来越慢,压力越低时下降速度越慢。而且放氦和放氩时,50mm、85mm两种状态所需时间之差的差别均很小(小于30s),反映这两导管长度对放氦和放氩的影响是相似的。4.4容器流态动力学特性试验中对容器导管的内径进行扩大来考察其对放气性能的影响。由于最靠近容器的这部分导管的内径不能变动(φ1mm,长度15mm),实际上的状态为容器导管由φ1mm×15mm+φ1mm×35mm(状态A)扩大到φ1mm×15mm+φ2mm×35mm(状态B),或由φ1mm×15mm+φ1mm×70mm(状态C)扩大到φ1mm×15mm+φ2mm×70mm(状态D)。图12为容器导管在状态A及状态B下容器内压力-时间曲线。图13为容器导管在状态C及状态D下容器内压力-时间曲线。图14为两种状态下,容器压力到达同一值时所需时间之差。随着导管内径的增大,容器内压力下降速度加快,压力低时下降速度加快的趋势更明显。比较图14中两曲线可以看出,在导管状态A的基础上将导管内径扩大到状态B,容器放气速率增大的幅度并不大,放气到0.5kPa所需的时间缩短了217s;但在状态C的基础上将导管扩大到状态D,容器放气速率增大的幅度很大,时间缩短约568s。说明在状态B下,φ1mm×15mm的这部分导管成为放气的瓶颈(或者是连接导管成为瓶颈),后部(长35mm)导管内径扩大的效果得不到显现;而在状态C下,扩大内径效果明显。此外,比较导管在状态B和状态D时的放氦试验的压力-时间曲线(图15)可以看出,两者放气速率差别很小,即在内径φ2mm的情况下,长度从70mm缩短到35mm,对提高放气性能基本没有贡献,这说明不能改动的15mm(内径1mm)导管已经是放气瓶颈,或者连接导管已经是放气瓶颈,具体情况需进一步确认。以上分析表明,为提高放气速率对容器导管的改进需综合考虑,在某些条件受限的情况下(如导管某些部位的内径只能为φ1mm),内径或长度的改变不一定有效果。同时,容器导管的改动还需要与连接导管、放气组件一起全盘考虑。4.5容器的放气压力-时间曲线为验证放气系统出口真空度(在本试验中为真空罐的真空度)对系统放气性能的影响,试验中真空罐的真空机组停开分子泵,有意使真空罐内的压力维持在一个较高的值。图16为在放气系统状态一致的情况下,真空机组全部使用(机械泵+罗茨泵+分子泵)的状态与停开分子泵(机械泵+罗茨泵)的状态下,容器的放气压力-时间曲线。可以看出,两种状态下容器内压力变化情况非常相近,仅在容器压力低于200Pa时,真空机组全开的状态的放气速率才比停开分子泵的状态快少许,放气到150Pa的时间减少了13s。图17为两种状态下真空罐内的真空度变化曲线。可以看出,停开分子泵时,真空罐内压力比真空机组全开时的压力高出许多,并且在整个放气过程中一直高,两种状态下真空罐内最大压力相差344Pa。由以上分析可知,在使用机械泵和罗茨泵的情况下,容器放气过程中,真空罐内压力可降到20Pa以下,而容器内压力在200Pa以上,此时继续提高真空罐的真空度(降低其压力)对提高放气速率没有贡献,说明没有必要再提高放气系统出口的真空度。5分析与讨论5.1容器压力的对数-时间关系由于真空罐内压力很低,而容器内压力较高,两者之比远大于临界压强比,因此容器放气过程中很容易产生气体流动壅塞现象,当导管入口的流速给定时,如果导管的长度大于或等于临界管长(与导管直径、气体粘度和比热容、入口流速、管壁的粗糙度有关),导管内气体的流速维持临界流速(当地声速)不变,流量也不变(与入口压力成正比),出口处的压力对该状态没有影响。随着容器内压力的降低以及各个导管内气体流速的降低,导管内不再形成壅塞,转为粘滞流状态(压力670Pa以下)。在气体流动壅塞的情况下,气体流量与入口压力成正比,所以放气过程中容器内压力的对数与时间呈线性关系。从本文所有的容器压力-时间曲线图中可以看出,在放气的开始阶段(开始至200~300s),容器压力的对数-时间关系为线性,说明在这个阶段放气系统内气体的流动状态为壅塞流。试验结果表明,流动壅塞约在容器压力5~15kPa时结束,壅塞结束的原因可能是产生壅塞的条件不足(导管入口的流速降低,导管的长度小于临界管长)。5.2气体流速、放气速率和粘滞系数在容器放气的初期(从600kPa降低到5~15kPa),导管内气体的流动处于壅塞状态,壅塞状态下气体的流速为当地音速。在壅塞期管道的质量流量与气体的流速(当地音速)成正比,由于氦气与氩气中的音速有较大差别(分别为1007.9m/s和318.94m/s),因此在壅塞期氦气的放气速率比氩气快得多。当壅塞状态结束后,在气体流动进入粘滞流状态(670Pa以下)时,管道内气体的流量与流导及两端压差成正比,而气体的流导与气体的粘滞系数成反比。氦气的粘滞系数(1.96×10-5Pa·s)与氩气(2.22×10-5Pa·s)相差很小,因此两者的流速差别很小,容器内压力下降的速率也差不多。5.3容器的流场变化当导管内流动状态为壅塞流时,气体的流速、流量与背压无关,因此当通过改变真空罐的抽真空机组来改变真空罐的真空度时,在壅塞流状态下,导管内气体的流速、流量没有变化,容器的压力变化相同,表现在容器压力(对数)-时间曲线上就是开始的直线段基本上完全重合。当壅塞状态结束后,容器内压力较低,在气体流动进入粘滞流状态(670Pa以下)时,管道内气体的流量与两端压力的平方差成正比,因此,当背压在0.5~300Pa范围变动时,其相对容器内压力还是一个小量,对导管流量的影响不大,即容器内压力的变化基本不受影响。5.4导管直径、长度对放气速率的影响在壅塞状态下,气体的流量与导管截面积成正比,与导管长度的关系不大,因此当改变容器导管长度时,壅塞状态下容器内压力下降的速率相差不大(图8、图9)。在粘滞流状态下,导管的流导与导管内径的4次方成正比,与导管长度成反比,因此导管越长,放气速率越慢。在改变导管内径时,由于最靠近容器的这部分导管(长度为15mm)的内径不能变动(为φ1mm),流动壅塞可能发生在这个部位,即壅塞状态下改变其余部位的内径对放气速率的影响很小(图12、图13、图15)。在粘滞流状态下,串联导管的流导是不同管径导管流导的倒数和的倒数,显然,管径小的导管对串联导管的流导贡献最大,因此在部分小内径导管不能改动时,改变其他部分导管的内径不一定能大幅度提高放气速率。此外,容器导管扩大后,连接导管、放气组件等可能成为放气的瓶颈,所以容器导管的改进必须与连接导管及放气组件等匹配。6容器导管内气体流动(1)容器内压力从600kPa下降到5~15kPa的过程中,导管内气体处于流动壅塞状态,容器内压力随时间呈对数衰减。在压力进一步下降的状态中,导管内气体处于粘滞流状态。(2)放气过程中容器内压力从600kPa下降到5~15kPa所用的时间较短,继续下降到0.6~1k