基于雙脈沖電流源的氣-液兩相環(huán)狀流壁面剪切力的測量.pdf

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1、第32卷第1期東北電力大學(xué)學(xué)報V01．32．No．1JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．，20122012年2月文章編號：1005—2992(2012)01—0019—06基于雙脈沖電流源的氣·液兩相環(huán)狀流壁面剪切力的測量周云龍，任庫，潘佳琦2，潘佳蕊。，趙洋(1．東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林132012；2．佳木斯大學(xué)國際交流學(xué)院，黑龍江佳木斯154000；3．沈陽飛機設(shè)計研究所，沈陽110000)摘要：剪切力是兩相流檢測中重要的參數(shù)之一，將雙脈沖電流源應(yīng)用于氣液兩相環(huán)狀流的液膜厚度進(jìn)行檢測，并首次建立

2、起液膜厚度與壁面剪切力的函數(shù)關(guān)系；設(shè)計實驗，分析函數(shù)的準(zhǔn)確性。具有原理簡單，對流型無影響，設(shè)計成本低，適用范圍廣等特點。關(guān)鍵詞：環(huán)狀流；動量方程；液膜厚度；剪切力中圖分類號：TH89文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0前言氣液兩相環(huán)狀流是氣液兩相流的一種基本流型，其在化工，能源及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均廣泛出現(xiàn)。壁面剪切力是兩相流檢測的重要參數(shù)之一，其對管路的摩損及流型的轉(zhuǎn)變和流動狀態(tài)都有影響，因此對其的測量是流體力學(xué)研究中基本而又重要的一環(huán)。國內(nèi)外學(xué)者研制了多種壁面剪切力測量方法：1)平衡法：基本原理是通過調(diào)節(jié)兩個環(huán)形腔室的之間的壓力差，當(dāng)與管段自重達(dá)到平衡時，自由管段就成為懸浮狀態(tài)。

3、此法中比較成功的是由Cravarolo等描述的下測量儀?。但其使用范圍受到限制：通道表面的間斷，這可能對兩相流動產(chǎn)生影響。2)擴散控制電解技術(shù)：基本原理是通過測量一小面積單元上的傳質(zhì)系數(shù)，推演出局部壁面切應(yīng)力。利用氰鐵酸鹽一氰亞鐵酸鹽反應(yīng)，使用Leveque解法建立切應(yīng)力與測量的傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)式。此方法的局限性：循環(huán)液體中必須含有氧化還原電解液；當(dāng)使用空氣一液體混合物進(jìn)行實驗時，溶液會隨時間的延長而變質(zhì)。3)熱膜探頭技術(shù)：基本原理是與壁面齊平安裝一很小的加熱片，并確定將此加熱片保持在一定溫度下所需的熱流密度ql2J，根據(jù)熱流密度與壁面剪切力的關(guān)系確定壁

4、面剪切力。此方法使用上的問題：市場上的熱膜組件是平面型的，若將這種組件應(yīng)用于彎曲通道就會對液膜產(chǎn)生干擾；由于探頭是熱的，將導(dǎo)致流動的液體脫氣，在探頭表面形成氣泡，使探頭的響應(yīng)不穩(wěn)定。為了避免上述方法的局限性，同時也為了提高實驗的精度和信號處理速度，本文采用原理簡單的雙脈沖電流源作為檢測手段，不但成本低廉，不干擾流型，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，同時也為研究剪切力與管路的磨損和管內(nèi)流動狀態(tài)的關(guān)系提供了一定的可能性與參考價值。收稿日期：2011—11—15作者簡介：周云龍(1960一)，男，吉林省扶余市人，東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：

5、氣液兩相流特性及檢測．20東北電力大學(xué)學(xué)報第32卷l系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，由氣路，水路及信號采集和測量段組成。其中氣路由空氣壓縮機，孔板流量計及閥門組成；水路由離心水泵，電子流量計，閥門組成；信號采集和測量段由實驗段和計算機組成，其中實驗段的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要就是傳感器，由安裝在絕緣有機玻璃管上按一定的距離排列的四個圓環(huán)黃銅電極組成，外側(cè)兩個作為激勵電極，中間兩個做為檢測電極[3]。工作方法是電流激勵，電壓響應(yīng)。傳感器內(nèi)部的敏感場分布的合理性以及激勵電流源的優(yōu)化設(shè)計文獻(xiàn)[4]已經(jīng)予以說明。傳感器工作原理：當(dāng)氣液兩相環(huán)狀流流經(jīng)傳感器

6、內(nèi)壁時，管內(nèi)液膜電阻值的變化對應(yīng)液膜厚度的變化，而液膜厚度的變化又對應(yīng)著壁面剪切力的變化。在管外一對電極上施加激勵電流，然后測量檢測電極的電壓變化，并根據(jù)響應(yīng)電壓與壁面剪切力的關(guān)系式，實現(xiàn)對壁面剪切力的測量。測量系統(tǒng)由雙脈沖激勵電源、傳感器、采集卡和軟件系統(tǒng)共同組成?，F(xiàn)成的雙脈沖電流源價格昂貴，所以自行設(shè)計了一個雙脈沖激勵電流源，傳感器就是安裝有激勵電極和測量電極的測試段；測量系統(tǒng)的采集卡不僅能實現(xiàn)信號的采集，還對雙向開關(guān)的切換時序進(jìn)行控制，省去了單片機開發(fā)的過程；軟件系統(tǒng)采用LABVIEW計算機語言編寫。lJ●0R1、rIl0一號、t-D＼圖1實驗系統(tǒng)圖

7、圖2實驗段結(jié)構(gòu)圖2測量公式的提出2．1模型簡化對于垂直上升圓管內(nèi)環(huán)狀流的產(chǎn)生Taite等利用液滴重力和液滴對氣流的物理阻力之間的平衡關(guān)系，推得環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變條件。在實驗條件下當(dāng)蒸發(fā)管中干度在大約0．1以上或者氣相速度是液相三十倍時，便可用肉眼觀察到環(huán)狀流的產(chǎn)生。本文將環(huán)狀流作為單純環(huán)狀流考慮，即氣流中不夾帶液滴。其物理結(jié)構(gòu)如圖3所示，為建立合理簡化的模型，進(jìn)行如下假設(shè)：(1)穩(wěn)定流動；(2)液膜沿周向分布均勻；(3)壓力沿徑向分布均勻；(4)氣液界面光滑。2．2模型建立環(huán)狀流的橫截面積為：環(huán)=丌(一)2，(1)Lm根據(jù)電阻定義式得，=y，(2)由歐姆定律得，

8、，(3)第1期周云龍等：基于雙脈沖電流源的氣．液兩相環(huán)狀流壁面剪切