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1、第31卷第5期西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.31№51997年5月JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYMay1997垂直管內(nèi)氣液兩相逆向流動(dòng)中界面波特性*及液泛現(xiàn)象研究李廣軍郭烈錦陳學(xué)俊(西安交通大學(xué),710049,西安)摘要以空氣、水為工質(zhì),對(duì)內(nèi)徑50mm的垂直管內(nèi)氣液兩相逆向流動(dòng)中的液泛現(xiàn)象和界面波特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和分析,認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)條件下的液泛是由于氣液界面產(chǎn)生大的振幅波而后失穩(wěn)造成的.研究了液泛產(chǎn)生前、后界面波特征及其速度、頻率和波長(zhǎng)隨氣液兩相流量的變化規(guī)律.關(guān)鍵詞實(shí)驗(yàn)研究氣液兩相流液泛界面波中國(guó)
2、圖書資料分類法分類號(hào)TB126工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際氣液兩相逆向流動(dòng)過(guò)程中,如立管式凝結(jié)器、冷卻塔、降膜式化學(xué)反應(yīng)器、重力熱管以及核反應(yīng)堆,都廣泛存在著液泛現(xiàn)象.準(zhǔn)確預(yù)報(bào)這一現(xiàn)象的產(chǎn)生,并了解其界面流動(dòng)特征,可為這些工業(yè)設(shè)備的安全生產(chǎn)提供理論指導(dǎo).[1～3][4～7]有關(guān)液泛現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)很多,在理論方面也進(jìn)行了一些研究,但尚未得出滿意的結(jié)果.一般認(rèn)為,液泛的產(chǎn)生與界面波的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和發(fā)展有必然聯(lián)系.但至今為止,有[8,9]關(guān)液泛產(chǎn)生前、后相界面特性的研究很少.本文以空氣、水為工質(zhì),對(duì)垂直管內(nèi)氣液兩相逆向過(guò)程中的界面波特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,給
3、出了液泛產(chǎn)生前、后相界面波特性的變化規(guī)律;并由此提出了液泛產(chǎn)生的機(jī)理,得到的結(jié)果與前人結(jié)果進(jìn)行了比較.1實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置實(shí)驗(yàn)是在本校多相流實(shí)驗(yàn)室空氣-水兩相流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的.實(shí)驗(yàn)段由內(nèi)徑50mm的有機(jī)玻璃管聯(lián)接而成,如圖1所示,其中B區(qū)為進(jìn)水區(qū),水由3個(gè)內(nèi)徑20mm的有機(jī)玻璃管收到日期:1996-05-29.李廣軍:男,1968年3月生,能源與動(dòng)力工程學(xué)院動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,博士,講師.*國(guó)家自然科學(xué)基金八五重點(diǎn)項(xiàng)目.16西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)第31卷導(dǎo)入,它們沿周向均勻分布.實(shí)驗(yàn)時(shí),水按2種方式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段:其一為
4、水直接由B區(qū)溢入實(shí)驗(yàn)段(TypeI);其二為在B區(qū)裝有海綿,液相通過(guò)海綿浸入實(shí)驗(yàn)段(TypeⅡ).有關(guān)具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)文獻(xiàn)[10].1.2測(cè)試方法[10]本文利用雙平行電導(dǎo)探針測(cè)量氣液兩相流的界面波.探針電極由直徑0.1mm的鉑絲制成,探針兩極間距為1.5mm.實(shí)驗(yàn)段共安裝有3組相似的電導(dǎo)探針.第1個(gè)探針?lè)胖迷陔x水入口1800mm的管道上,第2個(gè)探針在其下游100mm處,第3個(gè)探針與第2個(gè)的間距為10mm,如圖1.探針在使用前需進(jìn)行標(biāo)定,以[10]獲得液膜高度與探針輸出之間的定量關(guān)系.輸入探針的信號(hào)是100kHz的正弦波信號(hào),探針輸出信號(hào)經(jīng)整流、
5、濾波和放大后進(jìn)入信號(hào)采集系統(tǒng).本文根據(jù)分析,選擇數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為16s,采樣頻率為250Hz.1.3實(shí)驗(yàn)步驟A:進(jìn)氣管段;B:進(jìn)水結(jié)構(gòu);實(shí)驗(yàn)時(shí)固定1個(gè)液相流量,逐漸增大氣相流量,待流動(dòng)穩(wěn)定C:卷吸水收集器;E:氣出口;后,采集電導(dǎo)探針的輸出及壓力、溫度、流量等信號(hào);增大氣體流F:下降液相排出管;P:電導(dǎo)探針;RP:參考探針;U:卷吸速,重復(fù)以上過(guò)程至液泛產(chǎn)生;改變液相流量,重復(fù)以上過(guò)程,直液體排出管;W:進(jìn)水管;至完成所有工況為止.本實(shí)驗(yàn)中液相折算速度jl分別為S:差壓變送器0.0141、0.0297、0.0594、0.0891、0.111m
6、/s;氣相折算速圖1實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)示意圖度jg為0～12m/s;壓力為0.1～0.15MPa;溫度為20～25℃.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1逆相流動(dòng)界面波特征圖2給出了垂直管內(nèi)兩相逆向流動(dòng)過(guò)程中電導(dǎo)探針的典型輸出信號(hào).由圖可知,一定折算液速下,在液泛氣速達(dá)到之前增大氣相流速,界面波動(dòng)變化不大;據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察,當(dāng)氣速將近液泛速度時(shí),在管道底部形成較大振幅的波,此波隨氣速稍微增加而上行形成液泛.液泛之后,由于向下流動(dòng)的凈液量減小,因此界面變化較大.改變液相流速,界面特征變化規(guī)律相同,只是發(fā)生液泛時(shí)的氣速不同.2.2界面波參數(shù)變化規(guī)律[8,10]2.2.1界面波傳
7、播速度界面波傳播速度通過(guò)兩探針信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)來(lái)得到.圖3給出了2種不同進(jìn)液方式下界面波速度的變化規(guī)律,其中折算氣速jg為橫坐標(biāo),折算液速jl為參變量,圖中的實(shí)心符號(hào)即代表液泛點(diǎn).由圖可見(jiàn):(1)隨氣速增大,在液泛點(diǎn)達(dá)到之前,第1種結(jié)構(gòu)下,波速基本不變或略有減小,這是由于隨波振幅增大,重力效應(yīng)增大的緣故.第2種結(jié)構(gòu)界面波速逐漸減小.當(dāng)液泛即將產(chǎn)生時(shí),界面波速增大,這主要是由于接近液泛出現(xiàn)時(shí)整體流動(dòng)不穩(wěn)定效應(yīng)引起波速增大.液泛后由于向下流動(dòng)的液相減小,使得波速迅速減小.(2)在液泛前的區(qū)域,界面波速隨液相速度的增大而增大,但在液泛后波速下降卻
8、似乎與液相流量關(guān)系不第5期李廣軍等:垂直管內(nèi)氣液兩相逆向流動(dòng)中界面波特性及液泛現(xiàn)象研究17圖2雙平行電導(dǎo)探針典型輸出信號(hào)(jl=0.0594m/s)大.(3)在各種流量狀況下都沒(méi)
