水平管内气液两相泡状流壁面切应力的实验测量_计量标准器具_中国百科网
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水平管内气液两相泡状流壁面切应力的实验测量
    摘要:利用tsi-1268w热膜探针测量了内径为35mm的水平管内气液两相泡状流的壁面切应力,得到了充分发展段上壁面切应力沿周向的分布数据。测量结果表明,液相中加入气泡后,在管道下部的壁面切应力增大,在含气率较高的管道上部出现了壁面切应力减小的现象。随着气相流速的增加,管道上部的壁面切应力有较小幅度的降低,管道中下部的壁面切应力有较大幅度的增加。0 引 言在两相流系统中,壁面切应力&w对于确定动量和能量传递是一个关键的参数。nakoryakov等[1]用电化学方法测量了垂直向上泡状流和段塞流的壁面切应力,liu[2]利用热膜探头测量了垂直管中在可控入口气泡尺寸的流动条件下,壁面切应力随时间变化的波动频率特征和气泡尺寸、相分布以及两相的流动速度对壁面切应力的影响。迄今尚无水平管内气液两相泡状流中壁面切应力特性的测量报道。笔者利用tsi-1268w热膜探头对水平管内气液两相泡状流中的壁面切应力进行了测量,得到了水平管同泡状流下的壁面切应力及其波动强度的实验数据,分析了壁面切应力的影响因素。1 测量原理采用热膜探头tsi-1268w测量壁面切应力。热膜探头tsi-1268w嵌入到测试管的内表面。探头的详细安装见图1。热膜探头是一个端部镀有一条1?0mm&0.127mm铂膜的圆柱状石英玻璃,在铂膜表面涂有一层起绝缘作用的薄石英。在安装过程中保持铂膜所在端面与实验管内表面平滑,实验过程中流动方向垂直于铂膜。方波测试显示壁面切应力探头的频率分辨率为15khz。传感器由热膜风速仪(tsiifa-300)控制温度在46.7℃,并且是在低过热比1?05下操作以避免气泡的集结。利用位于热膜探头位置的下游外径为1.5mm的热电偶测量流动温度。对称于热膜探头位置有一对距离为800mm的测压孔,标定过程中可用以测量热膜探头所在区域的压强梯度。测压孔连接精度为0?25级的1151差压变送器。流体速度的变化使探针产生的电信号输入到ifa-300进行a-d转换,然后输入计算机。采得的电压信号通过计算机处理得到壁面切应力数据。在进行试验前,首先在单相水流条件下对壁面切应力探头信号进行了标定。风速仪输出电压瞬时值(ea)和壁面切应力&w之间有如下关系式[2]:这里,p为压强,l为管长,d为管内径。壁面切应力标定过程中,实验参数范围为2.6&104水平管中单相液流时测量的压强梯度与光滑管中湍流的karman-prandtl摩擦系数计算得到的压强梯度符合良好(见图3)。理论计算公式如下:这里,re为基于测试段内径计算的雷诺数,u为液相的平均速度,f为摩擦系数,&l为水的密度。在两相流中靠近壁面处存在液体薄膜,液体薄膜使得壁面切应力探头始终与液相接触。因此,如(1984)[3]和whalley和mcquillan(1985)[4]所示,在单相和两相流中的探针操作本质上是相同的。这样,瞬间壁面切应力由瞬间电压确定(式(3))。壁面切应力平均值由下式得到:这里,&wi为壁面切应力瞬时值,n为样本总数。在实验过程中,利用式(8)对所测得的电压进行了修正,以消除温度变化对测量结果的影响。式中:ee为测量电压,ec为标定电压,tfe为热电偶测量流体温度,tfc为标定温度。2 实验装置及过程测试段为水平放置的内径为35mm、长10m的透明有机玻璃管。通过如图4的混合器将空气和水引入到水平管中,调整气液两相的流动速度以形成泡状流。在测试段的下游安装一个快关阀,用来测量不同工况下的含气率。实验系统的详细装置如图5所示标定和测量过程中热膜探头tsi-1268w安装在实验段l/d=177.5位置处以保持处于充分发展段。热膜探头沿圆管周向的测点位置如图6所示。实验时,首先打开阀门,开启水泵、空压机等动力;然后开启计算机等测试系统;调节阀门使气、液流量稳定后进行数据采集。完成一个测点后,改变热膜探头位置测另一点,待所有位置测完后,改变工况继续测量,直到完成所有测量。热膜探头信号的采样频率8khz,采样时间8s。在标定和测量中,由于热膜探头对流动温度敏感,实验中通过不断更换水箱内的水使流动温度保持在28.5&0.5℃。实验参数范围:液相折算速度为3.0~4.0m/s;气相折算速度为0.0~0.4m/s;体积含气率为0.0~0.11;绝对压强为232~350水温为28.5℃。3 测量结果图7表示不同工况不同测量角度的壁面切应力测量结果。可以看出,单相液流时,在不同的测量角度下测得的壁面切应力差别很小,加入气泡以后,不同位置处的壁面切应力出现不同的变化。当测量角度&=0&时,即在管道的顶部,在实验参数范围内,相对于单相水流来说泡状流下的壁面切应力减小;当测量角度&=45&时,加入气泡后的壁面切应力与单相水流相比变化不大;当测量角度&=90&、135&、180&时,在不同的液流速度下,加入气泡后的壁面切应力均增大。在相同的液相折算速度下,随着气相折算速度增加,当测量角度&=0&时,即在管道的顶部,壁面切应力降低。当测量角度&=45&时,壁面切应力有相对较小的变化。当测量角度&=90&、135&、180&时,即在管道的中下部,壁面切应力有较大幅度增加。随着液相速度的增加,各个测量角度下的壁面切应力都有明显的提高。4 结 论利用tsi-1268w热膜探头实现了对水平管内气液两相泡状流中的壁面切应力的测量,获得了充分发展段同一截面上不同位置处的壁面切应力数据。实验结果表明,单相液流时,在不同的测量角度下测得的壁面切应力差别很小,而泡状流时则呈现较大的差别。在管道下部,液相中加入气泡后,壁面切应力增大;在含气率较高的管道上部出现了壁面切应力减小的现象。随着气相流速的增加,管道上部的壁面切应力有较小幅度降低,管道中下部的壁面切应力有较大幅度增加;随着液相流速的增加,各个测量角度下的壁面切应力都有明显提高。参考文献:[1] nakoryakovvk, kashinsky o n, burdukov a p,et al. local characteristics of upwards gas-liquid flows[j].ini. j. multiphase, ~81.[2] liutj. investigation of thewall shear stress in vertical bubblyflow under different bubble size conditions[j]. int. j. multi-phase flow, 85~1109.[3] martin c j. the non-intrusive measurement of wall shearstress and velocity profiles in vertical annular two phase flow[j]. in proc. newexperimentaltechniques inheattransfer.asme,.[4] whalley p b, mcquillian k w. the development anduse of a directional wall shear stress probe[j]. in proc. 2ndint. conf. on multiphase flow,london,.本文作者：苏玉亮1,2,张鸣远2,杨 建2,侯洪宁2,朱宪然2
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采​用​图​像​法​对​垂​直​上​升​管​气​液​两​相​流​中​稀​疏​上​升​气​泡​进​行​实​验​测​量​研​究​。​该​方​法​使​用​高​速​摄​像​机​拍​摄​气​泡​运​动​图​像​,​经​图​像​处​理​后​,​提​取​气​泡​的​特​征​参​数​,​分​别​绘​制​稀​疏​气​泡​上​升​过​程​中​速​度​变​化​曲​线​和​单​个​气​泡​上​升​过​程​中​面​积​变​化​及​形​心​位​置​变​化​曲​线​,​分​析​气​泡​参​数​,​总​结​运​动​规​律​。​实​验​结​果​表​明​,​采​用​图​像​法​可​以​很​好​地​完​成​对​气​泡​参​数​的​分​析​。
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