气液两相流界面波的双平行电导探针测量方法研究

　　1　引　言

　　存在于气液两相流气液界面上的界面波不仅对气液两相流的传热、传质和阻力特性有很大的影响,而且也是计算两相流体动力学的基础,因此正确有效地对界面波进行测量就成为了解这些特性的关键。但由于界面波具有变化快、影响因素较复杂等特点,这就对测量界面波的探针提出应具有分辨率高、反应快、受外界影响小等要求。到目前为止,主要有以下4种界面波测量方法[1]:(1)电导法;(2)电容法;(3)光学及射线法;(4)高速摄影法。自六十年代以来,电导探针测量界面波越来越受到人们的重视,早期大都利用嵌入式电导探针,但这种探针对大于2mm的液膜分辨率较差,目前大多利用双平行电导探针来测量厚液膜。

　　2　测量原理

　　2·1　理论分析

　　双平行电导探针自其出现以来即被广泛用于瞬时液膜厚度的测量,它的应用基于这样一个原理,即在一定的环境条件下,两探针之间液膜的电阻随高度而变化,并且有确定的关系。一般情况下,电解质的导纳是输入信号频率的函数[2],文献[3,4]提供了实用探针输入信号选择方法,认为当输入信号频率高于100kHz时,某些电解质(例如水)导纳的相位为零,也就是说在如此高的输入信号频率下,电解质导纳中仅存在电阻分量。在与波长几百米的电磁波相比非常小的电解质区域,其电势变化可以忽略不计,因此可以将电磁场看成是与时间无关的稳态场,则电解质的控制方程为:

　　其中,Φ、ρ分别为电势和电解质中的源密度,因为在电解质中没有输入源,因此ρ=0,则式(1)变为一拉普拉斯方程:

　　气液界面和壁面一般为绝缘面,因此对所有的界面其边界条件为:

　　一般情况下,探针的电极都是利用低电阻材料(如铂、铬镍等)制成的,因此探针的每一极可以认为是一等电势体,则对电极来说其边界条件为:

　　假设电解质的电导率恒定并且是均匀的,则利用电磁波理论可得出流过两电极之间的电流为:

其中,σ、V、ν分别为液体的电导率、两电极之间的电压和计算区域。则在某一特定区域的电阻可以用下式来计算:

　　这样可以利用式(6)来研究电极的影响区域,Koskie等[5]对式(6)利用数值方法来确定探针周围提供在两电极之间具有90%~99%电阻的区域。实际上这一区域为一椭圆形区域,为简化计算,将电极影响区域当作是一长方形,其计算结果见图1。它为双电导探针的设计提供了理论依据。

　　2·2　探针设计应注意的问题

　　电极直径的选择是探针设计能否成功的关键。一方面,电极直径应足够大以使其电阻与液膜电阻相比为最小;另一方面又应当足够小以尽量减小对流动的干扰。下面两个流体效应决定电极直径的选择:第一是电极直径应足够小以使之对电极产生的振动可以忽略;第二是界面效应可以忽略不计。