多孔介質(zhì)通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)流動(dòng)阻力模型研究

多孔介質(zhì)通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)流動(dòng)阻力模型研究

在動(dòng)力工程、石油、原子能利用等領(lǐng)域，廣泛使用氣液兩相流在多孔介質(zhì)中流動(dòng)，如化工多孔填充中的流動(dòng)和核反應(yīng)堆的冷卻。對(duì)多孔介質(zhì)中流動(dòng)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前工程熱物理學(xué)科的一個(gè)重要研究課題。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多孔介質(zhì)通道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了較多研究,但對(duì)豎直向上流動(dòng)條件下的流動(dòng)特性研究較少。Larkins等最早對(duì)豎直條件下多孔介質(zhì)通道的氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,此后一些學(xué)者陸續(xù)對(duì)氣液兩相流在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多孔介質(zhì)通道內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,并得出了相應(yīng)的流動(dòng)阻力關(guān)系式[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。本文對(duì)由球形顆粒填充而成的多孔介質(zhì)通道進(jìn)行了氣液兩相豎直向上流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究,采用高速數(shù)字?jǐn)z像儀采集分析了四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)多孔介質(zhì)通道內(nèi)的流型信息,通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量了不同流型時(shí)多孔介質(zhì)通道內(nèi)的壓差信號(hào),通過(guò)對(duì)兩類(lèi)阻力模型擬合得出阻力關(guān)系式并進(jìn)行了比較。1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)驗(yàn)是在空氣-水兩相流系統(tǒng)上完成的。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置由以下三部分組成流體控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。流體控制系統(tǒng)包括水箱,水泵,空氣壓縮機(jī),氣液混合器,實(shí)驗(yàn)段和旋風(fēng)分離器。水由水泵從水箱中抽出經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入氣液混合器,空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)和電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入氣液混合器。氣液兩相流體在混合器中混合后,流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段,進(jìn)行差壓信號(hào)采集和流型圖像采集后進(jìn)入旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)氣液分離,分離出的空氣直接排入大氣,分離出的水流回水箱進(jìn)行循環(huán)利用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括恒壓直流電源,數(shù)據(jù)采集板和差壓變送器。采集板為16通道數(shù)據(jù)采集板。差壓變送器采用Rosemount3051S電容式差壓變送器,測(cè)量精度為0.05%。圖像采集系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)組成。由于高速攝影法對(duì)光線的亮度有較高的要求,本次實(shí)驗(yàn)采用500W的鎢燈管作為照明系統(tǒng)光源。高速攝影系統(tǒng)采用瑞士公司研制的SpeedCamVisario系統(tǒng),該系統(tǒng)最大分辨力為1536×1024,最大幀速為10000幀/s,可以清晰的抓拍各種流型的瞬變圖像。在流型圖像采集過(guò)程中,逆光照明難以穿透實(shí)驗(yàn)段,無(wú)法提供足夠亮度,因此采用順光照明。實(shí)驗(yàn)測(cè)試段豎直布置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,測(cè)試段是由壁厚5mm的有機(jī)玻璃管制成的長(zhǎng)為1000mm,內(nèi)徑為50mm的圓柱形通道,其內(nèi)部分別填充直徑為2、3、5.5、8mm的有機(jī)玻璃球,形成四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多孔介質(zhì)通道,通道參數(shù)見(jiàn)表1。在實(shí)驗(yàn)段填裝時(shí),通過(guò)高速水流的沖擊和振動(dòng)以使通道內(nèi)的玻璃球填充緊密,并在實(shí)驗(yàn)段兩端加裝不銹鋼濾網(wǎng)和有機(jī)玻璃旋塞充分壓緊固定,以防止當(dāng)實(shí)驗(yàn)氣液流量較大時(shí)通道內(nèi)的玻璃球發(fā)生松動(dòng)。為了消除進(jìn)出口效應(yīng),取壓點(diǎn)布置在距實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口各100mm的位置。為了保證實(shí)驗(yàn)時(shí)的取壓均勻和防止玻璃球?qū)θ狐c(diǎn)形成堵塞,沿實(shí)驗(yàn)段周向均勻開(kāi)四個(gè)1mm的取壓孔,并在其外安裝有機(jī)玻璃取壓環(huán)。實(shí)驗(yàn)時(shí),先調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥,將水流量調(diào)節(jié)到所需流量后,再調(diào)節(jié)氣體流量來(lái)改變流經(jīng)測(cè)試段的總流量和含氣率,待氣液兩相流動(dòng)穩(wěn)定后,采集實(shí)驗(yàn)段的流量,差壓等參數(shù),并通過(guò)高速攝影系統(tǒng)獲取流型,重復(fù)以上步驟直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。本文拍攝圖像的分辨率為1536×1024,幀頻為1000幀/s。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍:溫度15-25℃,氣相流量0.3-12m3/h,液相流量0.18-0.45m3/h。2結(jié)果與分析2.1氣體流量對(duì)氣彈的影響在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),固定液體流量,漸次提高氣體流量,依次拍攝到泡狀流、彈狀流、脈沖流、霧狀流四種流型。泡狀流:如圖2所示,在氣液流速均很低時(shí)氣泡呈球形,其尺寸小于孔隙尺寸,可以在孔隙中自由流動(dòng),隨著氣體流速增加,氣泡尺寸變大,受到孔隙的擠壓而變形,氣泡在流動(dòng)過(guò)程中受孔隙結(jié)構(gòu)和自身尺寸影響可能會(huì)暫時(shí)滯留于孔隙中。彈狀流:如圖3所示,在泡狀流基礎(chǔ)上繼續(xù)增大氣體流量,氣泡數(shù)量增多,尺寸和運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大,相鄰氣泡開(kāi)始碰撞融合形成細(xì)長(zhǎng)氣泡,隨著氣體流速增加,氣泡之間的融合頻率增加并最終形成氣彈,氣彈形狀與孔隙形狀相似,其尺寸與孔隙尺寸相當(dāng),由于多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,氣彈在向上流動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)破裂并與其他氣彈融合,氣彈長(zhǎng)度隨著氣體流量增加先增大后因破裂頻率增加而逐漸減小。脈沖流:如圖4所示,進(jìn)一步增大氣體流量,氣彈在液相的剪切和多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙重作用下,被分解成大量的氣團(tuán),兩相流動(dòng)進(jìn)入脈沖流形態(tài),脈沖流存在明顯的富氣段和富液段分界面,富氣段和富液段交替通過(guò)多孔介質(zhì)通道,富液段內(nèi)部液相占據(jù)大部分空間,氣相以形狀各異的氣團(tuán)形式存在,而富氣段具有明顯的霧狀流動(dòng)特征,繼續(xù)增大氣體流量,富液段長(zhǎng)度逐漸減小,其內(nèi)部含氣率逐漸增大,分界面逐漸模糊消失,兩相流動(dòng)最終進(jìn)入霧狀流形態(tài)。霧狀流:如圖5所示,當(dāng)氣相流速極高時(shí),兩相流動(dòng)呈現(xiàn)霧狀流形態(tài),氣相形成連續(xù)通道,液相在填充小球表面形成液膜并被高速流動(dòng)的氣體裹挾進(jìn)入氣相形成霧狀流動(dòng),在調(diào)節(jié)氣體流量剛進(jìn)入霧狀流型時(shí),孔隙率較大的通道壁面存在大量高速流動(dòng)的小氣泡,繼續(xù)提高氣體流量,氣泡數(shù)量減少并逐漸形成連續(xù)氣相。2.2充填顆粒直徑對(duì)通道壓降的影響四種多孔介質(zhì)通道的壓降特性如圖6所示。從圖6可以看出,固定液相流量,通道壓降隨著氣相流量增加而增大,但其變化幅度逐漸減小,最后與氣相流量基本呈線性變化。從圖中還可看出,在兩相流速相近的流動(dòng)條件下,通道壓降隨著填充顆粒直徑的增加而減小,4#通道阻力壓降比其余通道低一個(gè)數(shù)量級(jí),這是因?yàn)殡S著顆粒直徑增大,通道內(nèi)顆粒的總表面積減小,即流體與顆粒的作用面積減小,流動(dòng)中的慣性損失減小,從而使流動(dòng)阻力顯著下降。隨著對(duì)多孔介質(zhì)氣液兩相流動(dòng)研究的進(jìn)展,國(guó)內(nèi)外的研究者陸續(xù)提出了一些用于計(jì)算多孔介質(zhì)氣液兩相流動(dòng)阻力的經(jīng)驗(yàn)公式,這些公式大致上可以分為以Lockhart-Martinelli概念為基礎(chǔ)的分相模型阻力公式和以氣液兩相雷諾數(shù)為基礎(chǔ)的均相模型阻力公式,鑒于相關(guān)的研究還很不完善,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠豐富,本文將以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)這兩類(lèi)阻力公式分別進(jìn)行擬合,并對(duì)其預(yù)測(cè)精度進(jìn)行比較。2.2.1單體流體壓降多孔介質(zhì)通道分相模型阻力公式的常用形式如下:式中,ΦL為分液相折算系數(shù),χ為分氣相折算系數(shù),ΦG與分液相折算系數(shù)ΦL的比值,即馬蒂內(nèi)里參數(shù),C與n是經(jīng)驗(yàn)常數(shù),上述參數(shù)的定義式如下:分液相折算系數(shù):分氣相折算系數(shù):馬蒂內(nèi)里參數(shù):上述定義式中,(dP/dx)為氣液兩相流動(dòng)時(shí)的阻力壓降梯度,(dP/dx)G和(dP/dx)L分別為氣液兩相單獨(dú)流過(guò)多孔介質(zhì)通道的阻力壓降梯度。本文采用廣泛采用的Ergun公式計(jì)算單相流體流過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)的壓降,Ergun公式為:上式中,μ為流體動(dòng)力粘度,Pa·s;u為流體折算速度,m/s;ρ為流體密度,kg/m3;A、B為Ergun方程的經(jīng)驗(yàn)常數(shù),其值與填充顆粒形狀和大小有關(guān),本文實(shí)驗(yàn)條件下A和B的值分別取180和1.8。根據(jù)上述定義式和單相流體壓降方程通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到C=1.035,n=0.359,擬合結(jié)果如圖7所示。利用本文改進(jìn)后的分相模型關(guān)系式對(duì)4種通道在實(shí)驗(yàn)條件下的阻力壓降進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,得出其對(duì)4種通道的平均相對(duì)誤差值分別為9.15%、7.85%、8.83%、10.94%。2.2.2多孔介質(zhì)通道阻力的確定多孔介質(zhì)通道均相模型阻力公式以氣液兩相雷諾數(shù)為基礎(chǔ),本文采用Kahn提出的阻力系數(shù)定義,其形式如下:在上述定義式中,dp為填充顆粒直徑,m,uSL為液相折算速度,m/s,ρL為液相密度,kg/m3。以氣液折算速度作為特征速度,填充顆粒直徑作為特征尺寸定義多孔介質(zhì)兩相流動(dòng)的氣液雷諾數(shù),定義形式如下:在上式中,uSG為氣相折算速度,ρG為氣相密度,μG為氣相動(dòng)力粘度,μL為液相動(dòng)力粘度。本文認(rèn)為通道阻力系數(shù)由氣相雷諾數(shù),液相雷諾數(shù),通道孔隙率,填充顆粒直徑和通道直徑共同決定。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到如下的阻力系數(shù)關(guān)系式:在上式中,dc為多孔介質(zhì)通道直徑,m。將阻力公式(9)的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,通過(guò)公式(9)計(jì)算得到的阻力值與實(shí)驗(yàn)值符合很好。公式(9)對(duì)四種通道阻力預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差值分別為4.73%,6.53%,6.49%,8.05%。2.2.3孔隙率及顆粒直徑對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的影響分相模型阻力公式形式簡(jiǎn)單直觀,但其并沒(méi)有體現(xiàn)出影響阻力壓降的內(nèi)部因素,均相模型阻力公式形式較為復(fù)雜,但其包含了影響阻力壓降的重要因素,包括反映流體性質(zhì)的氣液兩相雷諾數(shù)和反映通道結(jié)構(gòu)特征的孔隙率、填充顆粒直徑和通道直徑。在對(duì)阻力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度方面,公式(9)對(duì)1#通道的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度最高,隨著顆粒直徑的增加,公式(9)的預(yù)測(cè)誤差有所增大,這是因?yàn)?#通道的孔隙率在徑向差別最小。公式(9)對(duì)四種通道阻力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度均優(yōu)于公式(1)。3流型特征總結(jié)本文對(duì)多孔介質(zhì)通道氣液兩相垂直向上的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,通過(guò)高速攝影儀在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)依次觀察到泡狀流、彈狀流、脈沖流、霧狀流四種流型,并總結(jié)