垂直管内气液两相逆向流动中界面波特性及液泛现象研究

　　工业生产实际气液两相逆向流动过程中,如立管式凝结器、冷却塔、降膜式化学反应器、重力热管以及核反应堆,都广泛存在着液泛现象.准确预报这一现象的产生,并了解其界面流动特征,可为这些工业设备的安全生产提供理论指导.有关液泛现象的实验研究已经很多^[1～3],在理论方面也进行了一些研究^[4～7],但尚未得出满意的结果.一般认为,液泛的产生与界面波的产生、运动和发展有必然联系.但至今为止,有关液泛产生前、后相界面特性的研究很少^[8,9].本文以空气、水为工质,对垂直管内气液两相逆向过程中的界面波特性进行了较为系统的研究,给出了液泛产生前、后相界面波特性的变化规律;并由此提出了液泛产生的机理,得到的结果与前人结果进行了比较.

　　1　实验装置及测试方法

　　1.1　实验系统及装置

　　实验是在本校多相流实验室空气-水两相流实验台上进行的.实验段由内径50 mm的有机玻璃管联接而成,如图1所示,其中B区为进水区,水由3个内径20 mm的有机玻璃管导入,它们沿周向均匀分布.实验时,水按2种方式进入实验段:

　　其一为水直接由B区溢入实验段(Type I);其二为在B区装有海绵,液相通过海绵浸入实验段(TypeⅡ).有关具体结构见文献[10].

　　1.2　测试方法

　　本文利用双平行电导探针测量气液两相流的界面波^[10].探针电极由直径0.1 mm的铂丝制成,探针两极间距为1.5 mm.实验段共安装有3组相似的电导探针.第1个探针放置在离水入口1800 mm的管道上,第2个探针在其下游100 mm处,第3个探针与第2个的间距为10 mm,如图1.探针在使用前需进行标定,以获得液膜高度与探针输出之间的定量关系[10].输入探针的信号是100 kHz的正弦波信号,探针输出信号经整流、滤波和放大后进入信号采集系统.本文根据分析,选择数据采样时间为16 s,采样频率为250 Hz.

　　1.3　实验步骤

　　实验时固定1个液相流量,逐渐增大气相流量,待流动稳定后,采集电导探针的输出及压力、温度、流量等信号;增大气体流速,重复以上过程至液泛产生;改变液相流量,重复以上过程,直至完成所有工况为止.本实验中液相折算速度jl分别为0.014 1、0.029 7、0.059 4、0.089 1、0.111 m/s;气相折算速度jg为0～12 m/s;压力为0.1～0.15 MPa;温度为20～25℃.

　　2　实验结果

　　2.1　逆相流动界面波特征

　　图2给出了垂直管内两相逆向流动过程中电导探针的典型输出信号.由图可知,一定折算液速下,在液泛气速达到之前增大气相流速,界面波动变化不大;据实验观察,当气速将近液泛速度时,在管道底部形成较大振幅的波,此波随气速稍微增加而上行形成液泛.液泛之后,由于向下流动的净液量减小,因此界面变化较大.改变液相流速,界面特征变化规律相同,只是发生液泛时的气速不同.