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含氣率特性實驗研究-VORTEX-5使用

返回列表 來源:未知 發布日期:2019-10-29 14:49【

0 引言

氣液兩相流在許多工業應用中經常遇到,如鍋 爐、核反應堆的堆芯和蒸汽發生器、電子冷卻器和 各種類型的化學反應堆.兩相流中,流型和含氣 率是重要參數.首先,流型不同換熱效果不同;其 次,含氣率是 計 算 其 他 物 理 參 數 的 關 鍵 參 數.隨 著現代工業的發展,推動換熱設備向高效和小型化 方 向 發 展,小 通 道 已 經 在 緊 湊 式 換 熱 器 中 出 現,以水力直徑為劃分依據,水力直徑在1mm 和6mm 之間的通道被稱為小通道 .與常規通道 相比,表面 效 應 在 小 通 道 內 兩 相 流 動 時 起 很 大 作 用,使得兩者兩相流動特性有很大不同.

1 實驗系統及實驗方法

1.1 實驗系統

為滿足實驗條件,作者設計并搭建了如圖1所 示的兩相流實驗臺.實驗系統由循環水回路、氣路、 實驗段以及測量系統等組成.從高壓氮氣瓶流出的 氮氣依次經過減壓閥、高精度針閥、氣體質量流量 計、截止閥和混合器( 旋渦混合器VORTEX-5,海門市其林貝爾提供),水箱內的水依次流經過濾器、 變頻恒壓水泵、電 磁 流 量 計 和 混 合 器.混 合 后 的 氮 氣-水兩相流體流經實驗段,實驗段流出的水和氮 氣分別排入水箱和空氣.


1.2 測量和數據采集系統

分別采用氣體質量流量計和電磁流量計測量氣 路和水路的流量,采用羅斯蒙特壓力變送器測量氣 液路的壓力,實驗段差壓由羅斯蒙特差壓變送器測 量.氣體質量流量計、電磁流量計、壓力變送器和差 壓變送器由24VDC供電,輸出4~20mA電流并在 回路中串聯250Ω電阻,從回路取出的1~5V電壓 信號由與電腦相 連 的20通道IMP 采集 板 實 時 采 集,各儀器參數如表1所示.

1.3 實驗方法

此次實驗溫 度 為16.85 ℃,實驗 壓 力 為 常 壓. 實驗時,先固定水流量逐漸增大氮氣流量并觀察流 型變化,待流型確定后采集圖像和實驗數據,重復 以上步驟可得不同工況下的流型圖和流動參數.

1.3.1 流型圖的采集

將數碼相機通過連接線與電腦連接,并用SO- NYImagingEdge軟件實時顯示和儲存圖像,以 實 現可視化,相機型號為 DSC-RX100M6.實驗段采用 透明的高分子材料制成,用以觀察并拍攝流型圖.

1.3.2 含氣率測量

實驗采用具有結構簡單、易于實現、測 量 精 度 高等優點的快關閥門法測量含氣率.

2 實驗結果及分析

在液相表觀速度范圍為0.15~1m/s時,固定 液相表觀速度,逐步增大氣相表觀速度。氣相表觀速度固定時,氣泡數量隨著液 相表觀速度的增大不斷增加而氣泡尺寸隨著液相 表觀速度的增大減小且氣泡分布不斷向管道橫截 面擴散.這是由于液相剪切力不斷增大,迫 使 氣 泡 分散成更小尺寸的氣泡。環狀流時,進一步增大氣速,自液膜產生的細 小液滴會被夾帶至管道核心部分.如 圖6所 示,固 定液相表觀速度為Usl=1.0ms-1,氣相表觀速度 分別為:Usg=14.07ms-1,Usg=19.49ms-1,隨氣 相表觀速度的增加環狀液膜變得極不平緩,這是由 于垂直上升管內的環狀流存在皺波和擾動波 。

3 含氣率實驗關聯式分析和驗證

有大量預測含氣率的實驗關聯,這 些實驗關聯 式 可 以 分 為 四 類,分別 是 滑 動 比 關 聯式、KεH 關聯 式、漂移通量關聯式和一般實驗關 聯式.滑動 比 關 聯 式 是 這 種 類 型 關 聯 式 的 廣 義 表 達,由 Butterworth在1975年提出,該類型關聯式 是關于濕度(1-X)和干度 X 比的函數.ΚεH 關聯式 是一個常數或者是無滑動或平均含氣率函數的倍 數.漂移通量表達式是關于分布參數C0 和漂 移 速 度的函數.一般實驗關聯式是通過將基本物理參數 代入其他物理參數推導出的. 這些預測含氣率的實驗關聯式是由不同的研 究人員在不同管徑、不同流型、不同流體組合和不 同實驗壓力下基于有限數據得到的,故含氣率關聯 式對垂直向上圓形小通道內氣液兩相流含氣率預 測的準確性未知,因此有必要對其進行驗證,本文 選取 Nicklin的漂移通量關聯式進行驗證。

4 結論

本實驗采用可視化手段對水力直徑為4.35mm 垂直向上圓形小通道內流動機理和含氣率特性進行 研 究,表 觀 氣 速 0.01~20 m/s,表 觀 液 速 0.15~ 1m/s,可得到以下結論:
(1)垂直向上圓形小通道內氣液兩相流型有: 泡狀流、彈狀流、攪拌流和環狀流.隨著氣相表觀速 度的增加,泡狀流時,氣泡尺寸變小且氣泡向橫截 面方向擴散,彈狀流時,氣彈長度不斷增加,攪拌流 時,氣彈頭尾破碎程度不斷加劇,小氣泡進入連續 液相,環狀流時,液膜變得極不平緩.
(2)含氣率隨流型變化明顯,泡狀流和彈狀流 時含氣率通常在0.7以下(0<α<0.7),攪拌 流 時 含氣率在0.7和0.9之間(0.7≤α<0.9),環狀流時 含氣率大于0.9(0.9≤α<1);隨氣相表觀速度的增 大,泡 狀 流、彈狀流和攪拌流的含氣率急劇增加, 而環狀流含氣率基本保持不變;隨液相表觀速度的增大,泡狀流和環狀流含氣率基本保持不變, 彈狀流和攪拌流含氣率減?。?br /> (3)將本實驗數據和 Nicklin的漂移通量關聯 式預測值進行對比,發現該關聯式不能準確預測垂 直上升圓形小通道內氣液兩相流含氣率.圓形小通 道內氣液兩相流含氣率預測是個有待深入研究的 課題,作者下一步將對該課題進行深入研究,推導 可準確預測小通道氣液兩相流含氣率的新關聯式.