水平管内气液环状流液膜及扰动波特性

　　管内气液两相流动中,由于气液两相的流量,物性及管子几何尺寸不同,存在不同的流型。在气相流速很高,液相流速较小时出现环状流动。其特征是管壁面附有较薄的波动液膜,管子中心是高速流动的气体;同时气体中携带有细碎液滴。水平管中受重力的影响,液膜沿切向分布出现不对称性。管子底部液膜较厚,管子侧壁面及上壁面液膜较薄。由于气流速度较高,液膜界面出现扰动波,液膜中不断有液滴被卷吸到气体中;同时有液滴不断飞溅沉降回液膜,并引起二次携带,因而水平环状流液膜结构及其动态特性表现出很强的随机性、快速性、复杂性以及液膜厚度沿周向分布不对称性,所有这些因素给水平管环状流研究带来很大的困难。以往对环状流液膜特性的研究多集中在垂直管中,详细报道水平管内环状流液膜特性的文章十分有限。文[1]在26 mm水平管内进行了气液环状流研究,报道了液膜统计特性。文[2～4]研究了32.5 mm及90 mm管内环状流,但迄今为止尚没看到有关液膜厚度随时间变化的报道。文[5,6]仅提供了有限的液膜厚度的数据。文[7]用电导探针测量了内径50.8 mm管内相隔45°周向液膜厚度,给出了液膜厚度沿周向方向的分布及界面扰动波的速度、频率,初步研究了液膜及扰动波的特性。本文测量了不同周向位置时液膜厚度随时间的变化,并从幅域、时域、频域对液膜厚度信号进行了统计分析,得到了扰动波的波幅、波速及频率的变化规律。

　　1　实验系统及测量方法

　　空气和自来水经空气压缩机和水泵加压后,分别经过孔板流量计进行计量后由T形管混合进入实验段,气液距气液入口150D(D为实验管内径)处用双平行电导探针测量了液膜厚度。考虑到管子倾斜对系统压差测量及液膜分布的影响,采用U形管差压计和精密水平仪对管道水平进行了校正。用注水法对实验段进行了管径标定,管子内径为40 mm。用双平行电导探针在线测量液膜厚度的瞬态信号,同时通过对液膜厚度信号的分析可以得到反映气液界面波的各种参数,如波速、波长、频率、振幅等。电导法的基本原理是:探针周围的液膜高度与其周围某一区域的电导存在一定的线性关系,通过适当方法测量该位置的电导就可以得到液膜高度。

　　本文选0.1 mm直径的铂丝作为电极,两电极间距为1.5 mm。实验段中用3组双平行电导探针测量了管子底部的液膜厚度。第1个探针和第2个探针距离为10 mm,第2个探针和第3个探针的间距为100 mm。用5组双平行电导探针测量0°(管子底部)、45°、90°、135°、180°5个周向位置的液膜厚度。双平行电导探针的输入信号是峰峰值为10 V,频率为100 kHz的正弦波信号,信号由信号发生器产生。电导探针输出的信号进入自制的处理电路。该信号处理电路包括4个部分: 1)电流电压转换电路, 2)全波整流电路, 3)二阶低通滤波电路, 4)信号放大电路。因载波信号受变化电阻的影响,所以通过探针的电流比通过探针的电压降与液膜的线性更好,因此处理电路的第一部分是电流电压转换关系,而后输入全波整流电路来整流,经过整流的信号进入一二级低通滤波器,其截断频率为5 kHz。对于100 kHz的信号, 5 kHz的截断频率不会对频率小于1 kHz的任何信号引入明显的变形和扭曲。环状流界面波信号频率一般小于25 Hz,所以5 kHz的截断频率对界面波信号没有影响。通过低通滤波器的信号通过放大电路后进入818L采集板和磁带记录仪。考虑到双平行电导探针在使用中将受到实验条件的影响,如液体内溶有气体,水质变化,特别是温度的变化,因而液体的电导率会随时间而变化。