低温直立管道中两相自然循环流动分析

　　0　前　言

　　随着现代航天航空和能源科技的发展[1],对于低温系统两相流动的研究就显得非常迫切,如氢能源系统中液氢管路的两相流动。随着新能源领域中的一些高新技术向民用能源领域拓展,诸如:液化天然气、氢能等在“十五”期间已经立项实施,对相关的低温两相流系统提出了更高的要求。此类两相流流动与传热的分析研究以及两相流稳定性分析对于民用低温燃料系统的安全性具有重要的意义[2,3]。本文对低温系统的自然循环不稳定性过程以及对系统带来的危害进行了分析,并且提出了低温直立管道中两相自然循环流动的理论模型。

　　1　低温系统的自然循环不稳定性过程及其影响

　　如图1中所示,直立输液管上端是一个储槽,储槽内储存的低温液体的深度为h,液体上面与大气相通,压强为P0,储槽内的低温液体处于饱和态。储槽下面连接一个下端封闭的输液管,管内灌注了低温液体。长度为L,输液管外包裹了一层聚氨酯泡沫作为绝热层。输液管外面是大气环境,温度为300 K。

　　图1中的储槽直径很大,漏热产生的汽泡可以顺利上浮到储槽上部的气体空间,并可以通过排放管道排放到外部环境之中。输液管部分的情况比较特殊,它的外露漏热比表面积相对较大,产生的汽泡更多,管道直径相对较小,汽泡上浮的过程中可能发生碰撞,聚合成直径更大的汽泡,不断聚合的结果是逐渐生成接近管道直径的泰勒气弹(Taylorbubble)。泰勒气弹携带大量的能量上浮到储槽的出口处气体上排到储槽,对储槽形成较大的动力学扰动和热动力学的扰动,形成了低温系统的自然循环不稳定性现象。

　　本研究的对象是一根管内的液体在加热条件下蒸发形成汽相,在两相重度差推动下的两相流动,它所受的唯一外力是重力。系统的特点是:在输液管的上端与储存液槽相连,流动系统内部蒸发的汽体在浮力的驱动下向上流动,上浮的汽体夹带液体喷发进入储存液槽;输液管的下端封闭,不可能得到下面的来流液体的补充;在输液管侧壁加热蒸发过程中形成的汽泡上浮时,由于汽泡排出空间只能由液相往下流动来补充,形成汽液两相逆向而流。

　　这表明在两相流的内部存在剧烈的动量交换,正是这个相间作用使汽液混合物成为一个整体在系统中运动,不同的相间作用特征决定不同的流动工况。所以常用的两相分相模型很难应用于这种场合,而使用描述相间作用的滑移流模型有相当便利之处。低温系统的自然循环不稳定性现象对低温储液系统造成两个直接的后果:一是两相流喷入储槽的蒸汽与储槽内的液体处于过热的热力学状态,它们之间会发生强烈的热质交换,蒸汽到达储槽上部空间时并不一定能够达到平衡,当一定量的蒸汽夹带液体喷发散布到上部空间时,引起那里的整体温度的强烈变化,从而引发压力的迅速波动,当压力波动处于低压时有可能导致低温储槽处于负压状态,在压差作用下导致低温燃料系统的结构毁损;二是水锤现象产生的高压脉冲可能损坏输液管和相连的阀门等部件。