考虑热效应流体绕流柱体的流动分析

　　汽液两相流体横掠柱体的工况,广泛存在于动力、能源、石油化工、制冷、航天等领域的工业设施中.特别是核电站相变换热器中,许多工况处于液体横掠管子和管束并发生沸腾的两相绕流状况.多年的理论和试验研究,积累了大量实验数据和资料.由于数学工具和实验手段的限制,目前仍有不少问题未解决,而且工业进步和科技发展又提出了不少新课题,需要进一步探索.

　　国外Hulin, Inoue,Ulbrich R,以及国内的林宗虎、李永光等,对汽液两相流体横掠柱体的研究做出了杰出贡献[1~7].但是,通过检索和比较前人的工作发现,已有的研究均为水2空气两相绕流,没有考虑柱体加热的工况,因此,这些成果还不能适用于液体绕流热柱体并发生沸腾的工况.本文对此工况进行了探索性研究,研究结果对核电站中相变换热器及其他一些相应工业设备的高效节能、安全和稳定运行有重要意义.

　　1　实验系统及测量方法

　　1.1　实验系统

　　实验系统由水箱、水泵、调节阀、流量计、变压稳流调整器、绕流柱体、旁路阀以及排污阀组成.水由泵自下而上送入内经为25 mm试验管段后,横掠流过外径为10 mm的柱体6.为调节水流量,在管路中设有旁路系统.本实验绕流柱体由不锈钢管加工而成,不锈钢管壁厚2 mm,中心是电源电压可调的发热元件,管内部填充绝缘且导热性能良好的氧化镁粉.柱体发热有效长度为25 mm,水平放置在竖直试验管段上.将热电偶埋设在管的内壁,测得绕流柱体的内表面温度.

　　1.2　旋涡检测与数据采集方法

　　旋涡的检测采用压电晶体法,该方法具有灵敏度高、精度高等优点.流体横掠柱体时,旋涡脱落是在柱体两侧交替进行的[8].由于旋涡分离在柱体两侧产生压力脉冲,探头上将产生交变应力,埋设在探头体内的压电晶体元件受交变应力作用产生交变电荷.检测放大器将交变电荷进行变换处理后,输出脉冲信号.安装位置如图1所示.

　　信号数据的采集利用美国NI公司开发的图形化编程软件LabVIEW,在采集的同时对脉冲方波信号进行傅里叶变换.采集信号和傅里叶变换如图2所示.

　　2　试验数据及其分析

　　利用前述的实验系统和测量方法,对外径为10 mm的圆柱进行了流体垂直向上横掠热柱体工况的试验.加热电压0~220 V;数据的采样频率为500 Hz,采样数为200.改变流量和加热强度,得到了一系列试验数据.

　　图3至图5是Re为6 264, 11 790, 25 451,加热电压分别为0 V, 100 V, 180 V, 220 V时,旋涡脱落信号傅里叶变换后峰值的变化组图,图中,Tb为系统柱体表面温度.

　　由图3,图4,图5可以看出,旋涡脱落信号傅里叶变换的频谱图峰宽发生了改变,说明加热对旋涡脱落有一定的影响.随着雷诺数的增大,峰宽先由宽变窄,再由窄变宽.峰宽变窄,意味着旋涡以一固定频率脱落的能量增大,使旋涡的脱落处于更稳定状态,在尾迹形成稳定涡街;峰宽变宽,说明旋涡以较多的频率脱落,容易诱发共振事故发生,应引起有关部门的注意.