一种测量气液两相旋涡结构的装置

　　引　言

　　当流体流过非流线型物体时,在该物体后部的尾流中会有旋涡产生,这种旋涡是由该物体表面脱落下来的.在一定条件下,会发生涡列或称卡门涡街,这种从物体表面脱落的旋涡将影响物体表面的导热特性以及在该物体尾流中其他物体的力学和换热特性.有时还会导致换热工况恶化而发生事故.气液两相绕流工况在工业设备中常可遇到.例如:在电厂凝汽器和核电站轻水反应堆中燃料棒子通道间的流动,就是气液两相绕流流动.因此,深入了解旋涡的结构是非常重要的.

　　气液两相流动非常复杂,因此,研究的难度也较大.存在于气液两相旋涡中的细小气泡及其参数对气液两相流的传热、传质及阻力特性有很大影响.如何实现旋涡中含气率的测量是两相流研究的重大课题.由于气液两相流具有可变的边界及影响因素多等特点,这就要求测量局部参数的探针具有分辨率高、响应快等特点.到目前为止,主要有以下3种测量方法:电阻法、光学法和摄影法.光学法和摄影法可以得到瞬时管内流动工况,但是它把沿管径方向所有旋涡的工况同时显示在一张图片上,给层析带来困难,也就是说,它不能对两相旋涡内部结构进行研究.同时,对管子的光学特性有较高的要求.为了直观地研究旋涡的内部结构,本文首创了9针梳状电阻探针,利用它并配合计算机采集系统测得旋涡中的含气率分布,从而得到旋涡发生体尾流中含气率的分布.

　　本文测量了气液两相旋涡的结构,并应用计算机进行了数据采集和分析.试验工质为水—空气混合物.试验的范围为截面含气率0.02 ~0.30,水流速度1.98~3.65m/s,温度为室温,绝对压强0.1~0.25MPa,试验段管子内径为50mm.空气流量利用转子流量计测量,水流量利用笛形管测量.

　　1　试验装置和测量

　　1.1　试验装置

　　试验装置如图1所示.本文试验中采用的两相涡街发生体为一准等腰三角形物体,置于内径为50mm的管中,底面对着来流方向.根据对单相流体的研究,这种涡街发生体能够产生强烈而稳定的旋涡.在图1所示的实验段中编号:1为9针梳状电阻探针;2为多路探针信号处理器;3为两相涡街发生体;4为热敏元件安装位置;5为旋涡检测信号处理器;6为计算机;7为导流孔.图中的探针就是所创的9针梳状电阻探针,该探针在涡街发生体下游70mm处,将探针检测到的信号通过信号处理器后,再送入计算机采集器采集,进行分析.

　　1.2　电阻探针的原理及旋涡结构的测量

　　气液两相旋涡与单相流体旋涡不同,由于液相流体中含有气泡,而旋涡中心压力相对较低,在压差的作用下,质量较轻的气泡将会被吸入旋涡中.因此,在气液两相旋涡中的含气量比旋涡外要高,而且越靠近旋涡中心,含气量越高,许多研究者已经证实了这一现象.根据这一物理现象,我们设计了9针梳状电阻探针,该探针是由9根独立的电阻探针排列而成.电阻探针是根据水和空气的电阻值有明显差别的原理而设计,其结构见图2,图中1为多通道信号处理电路;2为计算机;3为不锈钢杆.T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9为探针从左到右的编号.