摇摆状态下竖直管内环状流摩擦压降计算

　　1 前 言

　　对于静止状态下的两相流摩擦压降的计算，通常是根据不同的流型特性选用不同的压降模型[1]。例如，对于均匀混合的两相混合物(如泡状流和雾状流)可采用均相流模型进行计算;而对于两相有明显离的流型，如环状流和分层流可以考虑采用分相流模型。对于弹状流，其飘移通量与相间的相对速度有关，可以采用漂移流模型进行计算。

　　当管道截面结构改变或者管道尺寸较小时，则需要对相关模型进行修正。Mishima 等认为对于小通道而言，奇斯霍姆常数 C 主要跟管道的水力学直径有关[2]。A.Kawahara 等采用分相流模型对微通道内两相摩擦压降进行计算时，发现奇斯霍姆常数 C 随着管径的减小而降低，并给出了相应的表达式[3]。Lee 等对水力学直径从 0.78mm 到6.67mm 的窄矩形通道内的两相压降计算时，根据分析和实验结果，给出了相应的奇斯霍姆常数C 计算关系式[4]。

　　处于摇摆状态下环状流，其流型随着摇摆运动而发生变化[5]，两相摩擦压降与静止状态下有所不同。因此，采用分相流模型对环状流摩擦压降计算时，需要对奇斯霍姆常数 C 进行修正。本文通过实验研究，给出了摇摆状态下环状流摩擦压降计算关系式，并采用该计算式对环状流摩擦压降进行计算，实验值与计算值符合较好。

　　2 实验装置

　　图 1 为压差测量示意图。其中，A、B 两测压孔与压差传感器的两个端子采用管子相连，管内充满单相水。图中虚线表示试验段摇摆到θ角度时的位置以及连接管 BA 段在摇摆运动中的状态。在这里需要注意的是，BA 段内的单相水随着摇摆运动也会产生附加压降。由于 A 点距离压差传感器 H 端的高度很低，因此 AH 之间连接管内产生的附加压降可以忽略。

　　根据文献[6、7]的推导结果，摇摆过程中，连接管 BA 段产生的附加压降为：

　　3 实验方法

　　试验在常温常压下进行，采用空气-水作为流动工质进行摇摆状态下环状流摩擦压降的实验研究。气相体积流量变化范围为 0.16～44m3/h，液相体积流量变化范围为 0～10m3/h。

　　实验中，将 3 根不同管径的试验段在 3 个不同摇摆周期和 2 个不同摇摆角度下进行组合。在每个组合下，首先固定水流量为一定值，然后增加空气流量直到流型进入环状流区域，在环状流区域内记录相关数据。然后再增加水流量重复上述过程完成另一工况的实验过程。

　　实验中，环状流区域内空泡份额采用快关阀法进行测量。压力、压差、空气和水的流量等信号通过 IMP 分布式数据采集板输入计算机，并采用专用的软件对动态数据进行采集计算，采样时间为 0.1s，以保证数据动态特性的实时监测和记录。