矩形窄缝通道泡状流向弹状流流型转化研究

    对窄缝通道中汽液两相流动流型的研究大都是绝热条件下在空气和水或者氟里昂等冷却剂中进行的.非加热条件下的空气和水或者氟里昂等低温冷却剂的气泡运动规律和流型与加热条件下的沸腾气泡运动规律和流型有根本的不同.本文在实验的基础上,对窄缝通道内汽液两相流中的泡状流向弹状流转化进行了理论研究,并用1、2 mm间隙的矩形窄缝实验段的实验数据进行了验证.

    1 实验简介

    实验在图1所示的实验回路上进行.实验段分别采用2种由石英玻璃烧制而成的矩形通道:高 mm、宽20 mm和高2 mm、宽20 mm,测量段长410 mm,其工作方式如图2所示.

    实验采用高温空气加热水,并实现可视化研究,拍摄系统如图3所示.实验参数范围:流量为7.3~19.4 kg/h;系统压力为0.1 MPa;热流密度为1~18 kW/m²;入口水温为80~97℃.

    2 实验结果

    在非加热矩形窄缝通道中,文献[1]已建立了转化时的物理模型并得出泡状流向弹状流转化时的空泡份额值α为0.2.文献[2]采用漂移流模型得出非加热条件下发生流型转化时的关系式如下

    式中:vf为液相表观速度;vg为气相表观速度;vgj为气相的漂移速度.

    随着流道间隙s的增大,空泡份额从0.2增大到0.3,具体表达如下

    式中:Db是流通截面的当量直径.文献[3]认为,对当量直径小于5 mm的窄缝通道,v_gj=0.

    在本次实验的加热矩形窄缝通道中,根据实验数据处理得出的结果,泡状流向弹状流转化发生在α为017附近,比文献[1](α为012)和文献[4O5](α为013)大出很多.这是因为在水平非加热通道中的稳定工况下,其两相流流速始终是一个恒定的值,也就是说,泡状流流型中的气泡与其相邻的气泡都几乎处于同一速度.所以,在空泡份额较低的情况下,只要相邻气泡能突破彼此的表面张力,就能结合形成弹状气泡,导致流型发生转化,而在加热的窄缝通道中,沿流程方向,上游产生的气泡不断进入主流,体体积膨胀使得气泡流速不断增大,从而使上游的气泡很难接近下游的气泡,这样相当于将彼此相邻的气泡拉开,使其挤压融合的机率变小,不容易靠彼此融合来形成大的气泡或者弹状气泡,从而推迟了从泡状流向弹状流的转化.可见,在加热的窄缝通道中,要实现该流型转化,只有在空泡份额比较高、气泡体积生长比较成熟、减小气泡间的距离之后才可能发生.因此,将空泡份额α为0.7作为此矩形窄缝通道内泡状流向弹状流转化的判断依据.

    在水平窄缝通道中,浮力作用可以忽略.此外,由于气泡受空间的抑止,近似认为两相流动是一个二维平面上的一维流动,因此可以认为此时气相的移速度v_gj=0,则得到泡状流向弹状流转化的初步准则关系式如下