加热上升管内相及相界面密度径向分布特性实验研究

　　1　引　言

　　在两相流动中,空泡率与界面密度是决定两相流内部结构的两个基本参数。空泡率代表着两相流动的相分布情况,而相界面密度则反映了相间的质量、动量、能量传递情况。

　　近年来,随着计算机功能的日渐强大,已可以提供对两相流更加精细的计算,两相流模型也由最初的均相流模型发展到目前更为精确的多维两流体模型, 为实现两相流的多维计算,掌握两相流动中的相及相界面密度的分布特性就显得极为重要。为此,国外运用光学探针和电阻探针已在此方面进行了一些实验研究 [1~6]。然而,已有研究多在绝热空气-水系统中进行,这与大量工业环境下的受热蒸汽-水系统是不同的。对于受热蒸汽-水系统,由于测量难度较大,相关 研究报道极少。

　　本实验的主要目的是对加热上升管内汽水两相流空泡率及界面密度的径向分布特性进行研究,通过双探头光学探针沿管道径向的测量,得出其径向分布情况,为更加全面深入地了解受热工况汽水两相流动的真实情况及相关多维模型的发展提供参考。

　　2　两相流空泡率测量系统

　　2.1　系统简介

　　本次实验采用中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环重点实验室由法国引进的RBI光学探针系统作为测量研究的手段。该探针系统由五部分组成, 分别是光学探针、光电转换模块、数字示波器、信号采集及处理系统、计算机及计算显示软件[7]。本次实验前,作者曾进行了该光学探针系统的准确性检验试 验,试验结果表明探针对气泡信号的响应敏感,系统可以得出满意的测量结果[7]。

　　图1为转换后的某局部点探针信号,高低电瓶分别对应汽相与液相,则该点处的空泡率为:

　　其中:r为径向位置,T为总采样时间,N为探测到的汽泡数。

　　2.3　相界面密度计算

　　相界面密度的计算中,采用了Kataoka等提出的目前应用最为广泛的球形汽泡两相流界面密度模型[8]:

　　其中:fb为汽泡频率,vb为界面速度。

　　双探头探针测量界面速度(汽泡速度)的基本原理是:已知两探头间距(探头沿流动方向前后排列),测出同一汽泡流经前后探头的延迟时间,则该汽泡 瞬时速度可由探头间距与延迟时间之比得到,通过对多个汽泡瞬时速度的统计平均计算,便可得出探测点的局部界面速度vb。实验测量中采用了互相关法以求解延 迟时间,如Vf(t)与Vr(t)分别为来自前后探头的信号,那么采样时间T内得出的互相关函数Fvf,vr(Δtm)为:

　　在零到某一最大值之间选取不同的Δtm值代入上式,通过反复计算,Fvf,vr(Δtm)的最大值所对应的Δtm便是最可几时间延迟。