水平管内气液两相泡状流壁面切应力的实验测量

　　0　引　言

　　在两相流系统中,壁面切应力τw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τw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,ρl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,τwi为壁面切应力瞬时值,N为样本总数。