摇摆状态下水平管内气-水两相流的流型研究

　　1 引 言

　　两相流的流型是两相流系统中具有重要工程意义的基本参数之一，一直是两相流研究中的一个重要研究课题[1，2]。近几十年来，国内外对气-液两相流动问题开展了广泛深入的研究[3，6]，取得了一定的进展;但是，这些研究都是在稳定状态下进行的。然而，在一些工程实际中常常会遇到气-液两相流动系统在摇摆状态下工作的情况，其动力装置的两相流动系统将会发生摇摆。这时两相流流型会发生改变，现有的两相流基础理论主要是在稳态条件发展起来的，有其局限性，不能适应实际工程需要，需要结合摇摆状态下的气-液两相流动特征进行深入研究。目前关于摇摆对水平管内流动的影响发表文献不多，文献[7]给出了摇摆对竖直管内气-水两相流流型的影响。

　　本文以实验方法研究了摇摆对水平管内的两相流型的影响，根据实验得到的数据绘出摇摆周期15s、摇摆最大角度 10°时摇摆状态下的流型图，由实验可以得出以下结论：摇摆状态下的水平管与稳定状态下的水平管内气-水两相流的流型有很大不同，在一些气-水流量区域，摇摆状态下的气-水两相流在一个摇摆周期内存在两种流动型式。该研究结果可为今后依据流型建立动态条件下的两相流动计算的数学物理模型，进行精确计算两相流动和传热提供一定的参考。

　　2 实验装置和实验方法

　　2.1 实验工质及参数

　　以空气-水为工质，对水平管内的气-水两相流在摇摆周期 15s、摇摆角度 10°状态下的流型进行了研究。

　　本实验的工质参数范围为：常温常压下，气体的体积流量 0.1～40m3/h，水的体积流量 0～4.0m3/h。

　　2.2 实验装置

　　实验管路为 25mm 的光滑有机玻璃管，由 3段被固定在摇摆台架上的水平管路组成，即横向布置管路 AB(4m)和 CD(1.5m)以及纵向布置管路BC(1.5m)(图 1)。实验主要是对管路 AB 内流体的流动型式进行研究，流体由 A 流入，由 D 流出。摇摆实验时，摇摆台绕转动轴做简谐运动，实验的平衡位置为台面的水平位置，摇摆的角度及周期可以调节。

　　2.3 实验方法

　　2.3.1 实验原理

　　实验工质流程如图 2 所示。实验用水为去离子水，由离心泵输送，经流量调节阀调节流量后通过涡轮流量计送入实验管路。实验气体由空气压缩机加压后送入储气罐再经解压阀调节压力和气体流量后进入实验管路。由于空气中的水蒸汽在压缩机内被压缩后会凝结成水，若这部分水不经处理进入实验管路会影响实验结果，因此，在空气压缩机和实验管路之间放置了气-水分离器，将空气中水蒸汽凝结的水与气体分离。空气和水经过实验段管路后流入敞口水箱内，空气自然排空，水进入水箱循环使用。两相流体中气体和液体的流量通过不同的阀门控制。气体流量的大小可以通过金属转子流量计测得，为保证测量精度，实验中采用了 3 个不同量程的转子流量计，测量范围分别为 0～0.7m3/h、0～4.5m3/h、0～44 m3/h。水流量的大小通过涡轮流量计测得，金属转子流量计和涡轮流量计都与 IMP 采集板相连，得到的数据以电流信号传给 IMP 采集板，经装在计算机上的 IMP 软件处理后读出。实验段管路上有两个测压孔，其间距为 2m。测压孔与压力传感器和压差传感器相连，用来测量管内两相流体压力和压差变化。压力和压差信号也是由IMP 采集板采集，其采集速率为 10 次/s。平均截面含气率通过快速截止阀法测量得到。