水平矩形小通道内气液两相流流型及摩擦压降的研究.pdf

中心1枉热物删学会第卜用学术会议水平矩形小通道内气一液两相流流型及摩擦压降的研究季卓俞坚夏国栋马重芳(传热强化’j过程节能教育部重点实验室及传热’，能源利用北京市苇点实验室北京100022)TEL：010--67391612Email：XI．Ill—er@emails．bjut．educfl摘要：彩槲瓤编譬：056032奉迁以氮气和水为r质t订水、卜矩形小通道(以-099ram)中对曲干日流摩擦服降进行，实验删究‘共弱足d人7-从／J下进行的，氯’t的折算：流速的扎⋯为0．0I7、一333nVs，水的折算流速的池¨≈为0I～5m／s实验对所得的219个数据点进行r分析，并州L&M关系式、H&S关系式10Iran的圆形通道内进行的，但姓近来，小通道乃至微通道内的流动机理越来越受到啦视由丁换热性能高，小通道已经J’泛地心州扫二紧凑式换热器上但是在小通道内，由丁鼙面摩擦的增加，乐降随之增加，特别是托小J口燕发器干¨冷凝器内，两相流爪降比常规尺寸通道内的压降人从理想角度考愿，换热器设计应该是在不增自DfE降的基础上提高换热性能，冈此，准确的估计换热器压降是换热器设计的关键近来一些研究发现，小通道内的流动鼍现出与常规尺寸通道内的流动不同的物理现象，但是有关小通道内的两相流流型和压降的研究报道还很有f；艮，人部分集中丁实验研究，并且可能会由于更多数据的出现以及新的公式的推导『『|j彳『所改变，所以还需婴对其做进一步的探索。

}_：|前，预洲小通道内两相流压降的关系式E要自均相流模，倒、均相流修11．模7q、L＆M，：ji，iU及II&S父系式(修止了C值的L&M天系式J0文献[1]指出，H&S父系式与实验数据偏差比较小，能够很好的预测两相流压降文献[2，3]指出均相流模型利均相流修正模吧能够州来预测小通道内两相流压降Zhao&Bit‘l指出如果他们的单相阻力公式能够被接受，那么两相流压降就能够剧L&M关系式米预测但是对1一小通道内两相流基金资助：国家重点基础研究发展规划(973)项目(G200002630054这样复杂的现琢，要进一步改善两相流压降的计算方法，芙键在j二订+个更好的流动的，o物fⅢ攒述．哑确别地说，也就魁取决1jI．对流，球和流态的了解为此本文以氮气一去离子水为J质，硼：究r水力“径为O99wan的矩形通道内的阿村j流㈦I并变化，霸望能获得小通道内不同流型的压降特性2实验设备和研究方法氮气一水两相流在水平矩形通道内的摩撩压降实骑，是在图1所示的实验台J二进行的，其流群为：液路：储存诅：恒温水槽中的水经蠕动泵送入实验系统，经液体针裂阀谰¨流量后，通过液体转子流量汁测量体积流量，之后进入试验段，从试验段出来的气一水混合物经气液分离器分离，液体收集在容器中，采用粘密l也子天平称重后，重新注入恒温水槽循环使H_j。

．气哜：氮气m高乐氮气瓶排Ⅲ斤．进入实验系统，经高精度气体针’¨阀凋忖流鼙后，通过气体质量流鼙计(Brooks5860)测餐质量流簧后进入微通道，从试验段出来的气水混合物经气液分离器分离，氮气排入大气试蠊段的取压力1式足在通道上开06，】柚1的小孔，并连接引压管试验段若压的洲Iii：采川Rosemount305lC蔗压变送器，一个测乐点布置在试验段进口屙100nma，另一个洲际点在试验段山f___J前60mm，两测压点间i』!巨100mm本实验的土要测量参数，除气体质量流量外(流量计自带显示波备)，全部由数据采集仪(HP34970A)采集并储存在计算机中为实现流动的可视化，试验段采川透叫有机玻璃板制成，同时利刚高速摄像仪(PHOTRONFASTCAMSuperIOK系硎)采观察气一液两相流流型本实验采削的高速篓堡垡鬯粤譬警、要是鎏k舞銎弈枇耘繁祷蔫岳秦器叼04蠹≤l鑫黧缓冲羲萱若墨嗫k湍动稳定肝沿通道77向待需袅8．乎：霆婆；i鸷斧ot毳磊；i霖警计II嚣‘裂嚣紧l嚣“14714nlmk精督『U了灭3I7I8冷光源19商速摄像仪20气液分离器实验的测量参数如幽l#L程蚓l、：矩形通道的尺寸为∥×H=I．25rnlnXO82Jrm]，通道水力直径为0．99toni．气体折算流速范嗣力0．017一．333m／s，液体折算流速为O．1～5n-ds。

本次实验是矗：人气胍力(oIMPa)平¨室渝(25C)F进行的气体折算流速平¨液体折算流速洲餐值的估汁偏簟分别乃±l％用l±15％，压降测量值的偏著为±2％实验采川的程序是吲定液体的折算流速．逐渐增加气体的折算流速a每次调讧流域后保持人约30分钟，待压降波动稳定(Jli降波动稳定的标忠是出现周划性的波动)^j记录数据，采样问隔为5ms压降数据取波动稳定后1000个左右数据的平均值u在本次实验的泡状流与弹状流中，压降波动比较小，最大波动不超过l％：在块状流中，压降波动很大，最人波动不超过3％；在环状流中雁降波动比块状流波动平缓，最大波动不超过1．5％3实验结果及分析31实验系统的标定及单相阻力特性为验证实验系统干¨测域系统的合理性与精确性，在进行气一液两相流实验前，先进行了单相水在巩=0．99mm通道中的阻力特性实验(层流和紊流)，并将实验il[10得的摩擦阻力系数值与不同的理论公式作比较在本文．摩擦阻力系数的计算值采用倒管层流理论公式以及Hartnett和Kostic的多项式简化方程：rRe24(1—1．3553口4-l9467a2—17012a3+o9564a4—0．2537a’I(1)这里，，是摩擦阻力系数，Dh是通道的水力直径，口足通道的高宽比。

鉴丁小通道尺寸的偏差对压降有张人影响，因此需要对通道进行精确测量在实验系统标定后，破坏试验件，在40倍读数显微镜F测量通道的苋j=fI|深为∥×爿=1．25mm×082ram，通道的水力直径dl、=O．99ram如幽2所示，实验结果与理论公式的相对误蓐不超过1％，与H．K公式的相对误差不超过15％由此可得，圆管层流理论公式利H—K方程能很好的预测小图2单相水在乩=o99mm通道中层流区柙紊流区的摩擦阻力实验值‘J不同计算值的比较通道内的压降由幽2可知在小通道中层流到紊流的转换出现在Re=2000的位置3．2气液两相流流型图对丁二气液两相流问题的分析处理，经常采刚基r流型的方法，即首先分清气液两相流的流7‰然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式因此，住分忻两相流压降时，应先确定各个流型的范丽本研究共进行了13组实验，每组实验重复3次，通过分析高速摄像仪拍摄的J!{{片垌I压著波动相结合的方法初步确定了各个流刑的范同以鲺气的折算流速为横坐标、水的折算流述为纵坐标得到的实验结果绘制的流型幽如I蚓3所示由图可得，在泡状流l≮l3DB弥散泡状流B泡状流S弹状流C块状流A环状流(BS)泡：状流弹状流分抖线(sc)掸状流块状流分界线(cA)块状流环状流分界线与弹：侠流分界处，分界线与Zhao相似，而与Triplett有一定偏差，原冈圳能与流型的辨别仃一定的关系、在Triplett实验中．类似丁倒6(a)的流犁视为弹状流·而自。

本阪实骀干¨56Zhao实验中该流型视为泡状流在弹状流利块状流分界处，Zhao实验中分界线明显向右移原因可能是带有尖角的二角形通道内的流型不同于吲形通道fI、riplett的实验通道)弄¨与圆形通道相近的矩彤通道pI庄块状流和环状流分界处，分界线介于Zhao肃1Triplett之间，原因可能是由于块状流刘环状流过渡特征不太明显造成一定的偏差还需要进一步的研究33气液两相实验结果的比较及分析婀相流乐降包括摩擦雁轿、加速度压降段重力}一‘降，郎：嘲4液体(紊流J＆L体(鹾流)的C值变化峨2嵋+叱+峨(2)在本次实验中，由于是水平流动，所以不考虑重力压降：在氮气一水两相流中没有热量传递．质齄流率不发生变化，冈此加速度压降也不用考虑，上式可以简化为：心Lp=世r实验|11勺结果首先同L&M关系式进行了比较在本次实验中，c值不再是一个俐定值，lfu是随Ⅳ的变化而变化(见幽4)实验所得压降与根据Chisholm建议的c值计算刚铎的偏芳，在液体(层流)一气体(层流)时的晶大偏差为一30％．在液体(紊流)一‘t体(层流)时的最火偏差在20％(见图5)任L&M关系式中，C是气液两相相互作剧的量度，它依赖于两相流的流型(如剀4)。

有趣的是，在同一液体折算流速下，C随Ⅳ的变化呈现规律性在X=7左右，c出现最人值参照实验原始数据以及压降数据采集曲线可以看出，在X=7左右恰好是处于奥扶流最激烈区域，此时气液相互作用程度达到最大，这同块状流的特点是一致的但芷f值随饥sf{勺变化没有规律HanJuLee干¨SangYongLee川指出C值席当是通道尺寸和气液流速的函数他们建议(’=廊以，矿，Re¨)=AA”y7Re；∥其中g，r和s的值根据气液的流态来确定实验结果同H&S关系式的比较见幽6实验所得C值与H&S关系式的偏差，在液体(层流)一气体(层流)时的最大偏差为一60％，在液体f素流)一气体(层流)时的最大偏差m40％艾献[2】指山在小通道中，均相流模型能够更好的预测两相流压降，尤其是泡状流流7_的压降本次研究J司均相流模型进行了比较，如图8所示从【到上可以看出，随着液体折傅流速的增加，两相流乐降增加在低液体折算流速时，均相流模犁不能预测两相流乐际的变化，偏差小丁±50％；而在高液体折算流速的部分流删(泡状流)时，均相流模7弘能很好的预测两相流压降的变化，偏著小rl％均相流模硝在低液体折算流速时1i能很好的预测两相流压降的原冈，可能利低液体折算流述时的泡状流流型有关(见57幽7)．在低液体折算流速时，气泡是规则的倒球形；而在高液体折算流速时，气泡由__}_-受液体剪切力的作刚而廿现细跃形。

幽5实验数士错列Chisholm方程预测的九值的比较幽6实验数据J刊H&S方程顶删的≯L值的比较(c1)九C^s=048m／s时的泡：№流流型(bj《{：ULS=46m／s时的泡：l戈流流型幽7小¨Us泡状流流型mgYoulzChell∞1等收集了空气一水的两相流压降的大部分数据，进行分析后指出．在小通道中，表面张力作削逐渐增强，所以应该考虑表面张力的作削遂对均相流模型进行了修止，增加了表面张力的影响，并指出均相流修正模型能够更好的预测两相流压降图9是本次试验结果同均相流修芷模型的比较实验结果大部分高于均相流修正模n乳有些结果甚至高1倍以上均相流修止模型不能用米预测小通道两相流压降Hom00eaeousmod．1(KpaII划8实验数据-均相流模型的比较幽9实验数据1j均相流修正模型的比较4结论通过以上的实验结果可以得到5；§口o∞∞z孟．LinE△oJ口iJd一&SA90{i|s±n(1)通过高速摄像仪和压差波动相结合的方法来初步确定了各个流型的范围2)L&M关系式比均相流模型、均相流修正模型以及H&S关系式的偏著都小，能更壶『的预测两相流压降变化3)均相流模型住低液傣折算流速时不能很好的预测两相流压降，原防I可能和低液体折算流速时的泡状流流型有关。

4)L&M茏系式中的C值随流型(流型是由L，G”巩s以及矗决定)的变化而变化c随L，Gs变化呈现一定的规律性，即在同一“卜，增加uGs，c先增加后减小，在x=7左矗，f出现鹾大值，在此处恰好处于块状流最激烈区域但是c随ULS变化不具有一定的规律性，还需要进一步的实验研究参考文献：‘[1Ha『】JuLee，SangYongLee．，Pressuredropcorlelationsfortwophaseflowwithinhotizontal：IectangularchannelswithsmallheightsIntJMultiphaseFlow27，783796．[2]K．A．Triplett，S．M．Ghiaasiann．S．IAbdel—KhalikandALemouel，BN，McCord，Gas1iquid：wQ—plhasef110w。