垂直管气液两相弹状流流动特性研究进展

　　1　引言

　　弹状流是垂直上升管内常见的流型之一,存在于比较宽广的流动参数范围内。在许多工业领域,如油气井、油气运输管线、蒸汽发生器以及核反应堆中,气液两相流在许多情况下是以弹状流的形式出现的。弹状流是液塞和充满整个管径的大气泡(Taylor气泡)交替出现的,间歇性和不稳定性是它的最主要特征。由于其流量波动和压力波动都非常大,会给下游设备带来很大的影响。因此对弹状流的研究具有非常重要的意义。

　　2　形成机理研究

　　由于垂直管弹状流在工业应用中的重要地位,有关学者对垂直管弹状流已经做了非常多的研究,但是对其形成机理还没有统一的认识。有些学者认为气体流量的增大造成气泡逐渐合并,最后形成弹状流;有些学者认为是因为空隙率波的不稳定性导致气泡突然合并,形成弹状流。

　　王跃社等(2001)[1]对垂直管弹状流的形成和发展进行了实验研究。该研究利用高速动态分析仪优良的可视化特性,将Weisman针对水平管流型转化提出的转化过渡区的概念引入到垂直管多相流流型转化的研究中来,并首次量化出转化过渡区的上、下边界。

　　研究发现其形成过程如下:将少量气体以低速引入运动的液体中时,气相被弥散成小气泡,此时流态是泡状流;随着气体流量增加,液体中气泡密度也急剧增大,当气泡尺寸大于临界尺寸(在低压空气/水系统中为1·5 mm)时,气泡开始聚集合并,原有的泡状流流型开始发生变化;当圆顶状气泡形成时,其尾迹的卷吸作用使得后续气泡相对速度提高,碰撞也不断加剧,气泡形状和轨迹变得杂乱无章,这时流动由泡状流向弹状流过渡转化,直至表征弹状流的弹状Taylor气泡形成,整个气泡合并过程趋于终止,弹状流形成。

　　Moissis(1962)[2]认为:由于小气泡之间的碰撞导致了气泡合并,最终形成了直径与管径相似的大气泡,从而形成了弹状流。泡状流只是一个过渡流型,它给予小气泡足够的碰撞时间,最后发展成弹状流。因为在空隙率为0·25~0·30时碰撞速度会急剧增加,他们提出了一个弹状流形成的空隙率标准。Taitel等(1980)[3]也认为气泡的逐渐合并是弹状流的形成机理,但他们认为如果气泡合并和气泡破裂由于流体的脉动而达到平衡的话,分散泡状流可以保持下去。Hewitt(1990)[4]发现管道长度对弹状流的形成和空隙率没有影响,这就暗示了整个管道中可以同时形成弹状流。Kapteyn(1989)[5]测量了泡状流的气泡尺寸和个数,发现这两个参数在实验管道顶部和底部并没有区别,因此认为气泡的破裂和合并不是弹状流形成的机理。从另一个角度来说,直径小于4 mm的气泡集中在管壁附近,并没有形成气泡簇的趋势;即使空隙率增加到高达35%,这些气泡仍只是简单地聚集在一起。在一定的空隙率下,整个管道气泡突然合并形成紊乱结构,此时气体速度稍微有些增加就会导致弹状流的出现。