空气-水两相流压差波动研究

    

    1　引言

    气液两相流压差等参数的波动包含有关流动的丰富信息,研究这些参数的波动特性对了解两相流内部流动结构的变化有重要意义,同时也密切关系到两相流动系统的设计和运行等许多实际问题。

    通常研究最多的波动参数有绝对压力、压差和含气率。绝对压力波动过程记录的是近区域和远区域的汽泡成核、生长、运动和合并、流过节流元件等所产生的噪声,同气泡的大小关系密切。压差波动在一定程度上过滤掉了测量段之外的压力波。含气率波动反映的是由于气泡的通过而产生的局部含气率的变化,与气泡大小无关。

    许多学者采用统计学原理研究压差波动特性,针对不同流型得到了压差波动过程在时域、频域和幅域内的规律。对水平管空气-水两相流,Weisman等人分析了各种流型下压差波动的幅值、频率及形状的变化规律[1]。对垂直上升管内空气-水两相流,Tutu[2]和Matsui[3]结合观察和摄像法,根据无量纲压差概率密度函数分布曲线的形状对流型进行了划分。

    由于对多数流型,压差波动是非平稳和非线性过程,建立在平稳随机过程基础上的统计分析方法反映非线性本质的作用有限。在非线性动力学系统中,随机性和复杂性是其主要特征。在复杂现象的背后,存在着某种规律性。分形直接从非线性复杂系统入手,从未经简化的对象本身去认识其内在规律性。因此这种数学理论对揭示两相流动系统的许多现象有很好的帮助。Saether等人应用分形理论分析了水平管弹状流中的液弹长度分布,得到了Hurst指数与液弹长度之间的关系[4]。Franca等人得到了水平管内空气-水两相流不同流型下压差波动的分维数[5]。Cai和Wambsganss分析了水平矩形管内的空气-水两相流的壁面静压力波动特性,发现波动过程的功率谱具有频率范围宽、在高频区呈指数下降的特点,这证明了压力波动过程的混沌性[6]。Langford等人计算了垂直上升管内空气-水两相流压力波动的Kolmogorov熵和关联维数,表明Kolmogorov熵随折算气速和折算液速的不同而不同[7]。

    由于分形理论发展的历史较短,在多相流领域的应用还缺乏系统性,所获得的相关数据还很少,其中分维数(Hurst指数)与流型的关系仍无定论。已有的研究工作有一定的差别,质量流速等系统参数对分形特征的影响研究得不多。

    2　实验系统

    实验系统和实验段结构及测量方案见文[8]。实验系统的流程为:空压机提供空气源,离心泵驱动水,空气或水的流量采用孔板或转子流量计实现计量,然后以三通方式在进入实验段前进行混合,最后气水混合物通过旋风分离器分离,空气被排入大气,水进入水箱循环使用。实验段为U形管,由透明的有机玻璃管制成,内径为50 mm。流型根据肉眼观察来划分,实验观察到的流型有泡状流、弹状流、块状流和环状流。压差测量段位于U形管的垂直上升区,测量长度为1000mm。压差波动过程由0.1级精度、响应频率5Hz的电容式压差变送器测量。对工业中常见的管道两相流,由于流速低,高频区的波动能量非常低,本文所用压差变速器的响应频率满足要求。实验参数范围:折算液速为0.54 m/s、1.00m/s、1.54 m/s;折算气速为0~12.7 m/s。压差、折算气速、折算液速的不确定性分别为±0.21%,±8.8%和±0.73%。