高质量含气率垂直下降两相绕流的研究

　　气液两相绕流工况在工业设备中常可遇到,如核电站轻水反应堆燃料棒子通道间的流动,相变换热器中气液两相混合物横向冲刷管子的流动工况等.例如曾有报道,核电站的一台蒸汽发生器与管板连接处,因气液两相绕流引起管子振动,造成连接处泄漏事故的发生.在进行气液两相流的测量时,经常用到毕托管和探针等测量元件,当把这些测量元件放到气液两相流中进行测量时,也存在一个气液两相绕流问题,在流动工况不良时会造成两相涡街,引起这些测量元件的大幅度的振动,从而影响测量的精度.气液两相涡街是气液两相绕流的一种特殊现象,与人们较为熟知的单相流体绕流现象类似,它也是由两列旋转方向相反,交叉排列的旋涡组成,只是这时流动工质是气液两相混合物,由于气液两相流流动的复杂性,其所产生的涡街情况也很复杂[1],所以至今对于气液两相涡街现象研究也很少.已发表的只有Hulin etal[2],Inoue etal[3], M.yokosawa[4]和Thomas.L.etal[5]等有限的几篇论文.

　　Hulin等曾在直径为150 mm管内研究了垂直上升的气液两相混合物(水)空气)绕两个梯形物体的流动特性和发生涡街时气液两相斯托拉赫数与流水流量、截面含气量的关系.Inoue等利用电阻探针采用与Hulin相同的方法,研究了气液两相绕圆柱体流动时,尾流中的含气率分布.M.Yoksawa等研究了垂直上升的气液两相混合物绕平板流动发生涡街的工况.Thomas.L.等对垂直上升流中的气液两相流涡街进行了数值模拟计算.但是对于高质量含气率垂直下降流中的气液两相涡街现象还未见研究.所谓高质量含气率就是单位时间流过流道截面的两相流总质量M中气相质量所占的份额超过95% ,又称高干度流.本文对高质量含气率垂直下降流中两相涡街现象进行了研究,研究结果对于工业实际、气液两相涡街理论的发展和气液两相流的测量技术的进步等都有重要意义.

　　1 实验系统

　　本文针对图1物体进行了高质量含气率垂直下降流两相涡街实验,实验是在如图2所示的系统上进行的,为了使进入实验段的两相流体能够均匀地混合,本实验采用如图3所示的混合器结构,它由2个同心圆筒组成环行空腔,在壁上开有许多小孔,空气在内管中流过,水由支管进入环室,然后沿周向经小孔(小孔直径为1.5 mm)喷入气流中.为了更好地使水与空气混合,增加其喷洒接触面积,设计了2个环室,其中1个环室的喷水量(在2个环室压力水头相当的情形下)是另1个环室喷水量的2倍.实验段管子直径为50 mm.

　　2 两相涡街的检测

　　每当物体两侧交替产生旋转方向相反的旋涡时,物体就周期性地受到两个方向相反的压力,以圆柱体为例,如图4,假定图4中的上游是均匀流动,则在圆柱体上游环量?=0.?用下式计算