水平管段塞流持液率波动规律研究

　　1引言

　　在动量方程中为了计算管线中的压力梯度，必须利用液塞持液率来封闭整个关联式。对于水平和微倾流动，广泛应用的是Gregory等[l]提出的关联式，该式中液塞持液率是混合速度的函数。Malnes等人[z]得到的持液率计算式中，除了混合速度的影响因素外，还考虑了气液表面张力与液相的密度。Majeed等人[s]提出了一种适用于水平管和小角度倾斜管中段塞流持液率的经验关系式，其中反映了混合速度与气液两相粘度的影响。一些学者对段塞流持液率也进行了预测。Barnea等{’]首先提出段塞流液塞持液率预测模型，该模型依赖于准确的泡状流与段塞流的转换边界。而Barnea同在较小的含气率情况下推导的模型，在较低流速下对于从段塞流到分散气泡流的预测是准确的，但是在流速较高时却有不正确的趋势。

　　本文利用气液两相流机理实验装置进行了段塞流持液率的实验研究及模型预测。

　　2实验系统

　　试验装置由水罐(lm”)、离心泵、气体涡轮流量计、液体齿轮流量计、气液混合器、试验管段和气液分离器组成，其中试验段为内径50mm、长27.3m的不锈钢管，布置有n个Keller压力变送器(频响为5kHz)。试验段下游安装有长lm、直径为50mm的有机玻璃管，其上有2组双平行电导探针，以便于持液率的测量。数据采集系统采用National-Instrument公司的pCI一6017E高速采集卡(单通道采集频率1.25xlo6Hz);采用Soltron3595一IH采集板测量空气、水及其混合物的温度。

　　3水平管段塞流液塞持液率预测模型

　　Barnea&Brauner[4]认为，液塞持液率与液塞能够容纳的最大气体量相对应。完全发展的紊流中气相是以球状气泡存在于液相中。当气泡的尺寸大于一定值时，在紊流脉动作用下，破裂成小气泡。因此，在分散气泡自由表面能和液相脉动动能之间必定会存在一种平衡。

　　液塞中离散气泡的表面自由能

　　式中。是界面张力，N.m一‘A是管线横截面积，mZ;HL，是液塞持液率;l，是液塞长度，m。

　　液塞中的脉动动能为

　　假定液塞达到最大含气率，则离散气泡总的表面自由能与液塞的脉动动能是成比例的，于是

　　液塞体中离散的球状气泡临界直径值[[s]

　　由式(3)和式(4)即可计算出液塞体的持液率:

　　对于水平管:Ce为1.25，is为32d}4}。

　　液膜区的持液率HLf和速度of由下式确定，见文献[s]:

　　液塞速度v。由下式确定[0]:

　　液塞和管壁间的摩擦系数几由下式确定[flol .

　　式(5)经过迭代计算即可求出液塞持液率。