气液两相流多尺度相干结构及其间歇性

陈文义， 郭莎莎， 姜 楠

(1.河北工业大学 过程装备与控制工程系，天津 300130;2.河北工业大学 工程流动与过程强化研究中心，天津 300130;3.天津大学 力学系，天津 300072)

气液两相流多尺度相干结构及其间歇性

陈文义1，2， 郭莎莎1，2， 姜 楠3

(1.河北工业大学 过程装备与控制工程系，天津 300130;2.河北工业大学 工程流动与过程强化研究中心，天津 300130;3.天津大学 力学系，天津 300072)

小波分析用于流体力学的研究已有一定的进展，采用恒温热膜测速技术，以高于对应的最小湍流时间尺度分辨率，精细的测量了鼓泡塔内不同空间位置的瞬时气液两相流动速度信号。基于子波系数的瞬时局部平坦因子，提出用子波分析检测湍流多尺度相干结构的条件采样方法，以单气泡结构的相位平均波形为基础，对鼓泡塔内气液两相湍流场进行了研究。结果表明:鼓泡塔中气泡结构是两相湍流产生奇异性和间歇性的诱因，喷嘴出口区域的一定喷射锥角范围内，才有气泡结构，并受到对应的平坦因子及间歇性的影响。

气液两相流;条件相位平均波形;间歇性;平坦因子

0 引言

气液两相流动广泛存在于能源、环境、化工、燃烧及矿业等各工业领域中。气液两相流与湍流密切相关，湍流是由各种不同尺度、不同幅度和不同相干度的层次结构组成，在从积分尺度到耗散尺度的连续分布的每个尺度上，都存在具有最大振幅和最高相干度的结构，即最强间歇结构［1］。气液两相流动的研究比单相流的研究相对落后，因此，对它的研究具有十分重要的现实意义。以前对气液两相流的研究较多关注流场的平均特性，现在利用先进的仪器设备可以采集到流场的局部流动信号，可以得到更有价值的实验结果。

小波分析用于流体力学的研究已有相关进展［2－5］。笔者针对热膜测速仪测得的鼓泡塔中的气液两相流动信号，基于子波分析［6］研究气液两相湍流多尺度相干结构的条件相位平均波形和间歇性。

1 气液两相湍流多尺度相干结构的检测

根据子波系数，可以定义间歇性的量化指标，由Farge等［7］人引入的一种测量间歇性的测度，即瞬时强度因子，定义为

它对于速度场在每个尺度的局部行为给出了一个明确的特征量。

描述间歇性的量化的另一个指标是子波系数的平坦因子，瞬时局部平坦因子为

其对位置参数b的平均值，即是单一尺度结构的平坦因子:

根据子波系数的瞬时局部平坦因子，提出了用子波分析检测湍流多尺度相干结构的条件采样方法。

根据子波系数的瞬时局部平坦因子，定义检测函数如下:

其中T(a)是根据文献［8］，用单一尺度速度信号自相关函数确定的湍流结构的尺度。

在间歇性的相干结构被检测到后，便可对原始信号进行相位平均，从而获得事件的平均演化过程:

2 实验装置

实验测量系统如图1所示。实验段长180 mm，内径80 mm，探头置于实验段中间。气体由底部经气体分布器进入实验段，实验段的作用是得到大小均匀分布的气泡。调节进气流量可得到不同含气量的气液两相流场。基于热膜探针测量，通过TSI热线测速仪采集数据，采样频率控制在20 kHz，采样时间设定为50 s，测速仪输出的电压信号经数模转换后经计算机处理。在实验系统中，将无离子水注入实验段保持静止。

图1 气液两相流实验系统Fig.1 Test system of gas-liquid bubbly flows

TSI 1210－20W型热膜水探针每次使用前都经过TSI公司提供的10180型水探头校准器校准。图2为TSI 1210－20W型热膜水探针的校准曲线。

图2 TSI 1210－20W热膜探针的标定曲线Fig.2 Hot-film probe calibration curve

3 实验结果分析

图3为进气流量qg=0.15 L/min时，平坦因子随法向在不同径向位置处的分布规律。

图3 平坦因子随法向位置的分布规律Fig.3 Distribution of flatness factor across normal direction

由图3可知，在喷嘴出口，即r/R=0处，平坦因子与法向高度近似成正比关系。各尺度的平坦因子均与鼓泡塔的法向高度成正比关系，其最大及最小值均发生在顶、底部，表明环流器顶部的两相湍流脉动强烈，气液两相混合较均匀，不同尺度的结构都获得较充分发展，同时气泡的上升作用使两相流动的非线性作用增强，气液两相流湍流结构随尺度演化，从而导致平坦因子与法向高度变化成正比关系。

随直径方向离开喷嘴中心，r/R=0.2及r/R=0.5位置，平坦因子分布变化不规律，表明在鼓泡塔底部，中心外的径向位置不具有典型的气泡结构。喷嘴中心喷射出的气泡没有对周围的径向产生影响，属于典型的气液两相流，其影响主要来自于反应器顶部的两相流。

图4为qg=0.15 L/min时，不同法向位置平坦因子随径向变化的分布规律，其他进气流量下，平坦因子分布规律相似。由图4可知，平坦因子与径向距离成正比关系，随着远离环形反应器中心位置，气液两相流的典型湍流脉动特征增强。气泡结构变化与径向距离成反比关系，表明随径向远离中心位置气液湍流获得充分发展。

图4 平坦因子随径向位置的分布规律Fig.4 Distribution of flatness factor across radial direction

图5为r/R=0位置，平坦因子在不同法向位置上随进气量变化的分布规律。只取r/R=0位置是因为在其他径向位置，平坦因子随进气量变化差异不大。由图5可知，在鼓泡塔底部y/L=0.2处平坦因子与进气量变化成正比关系，随法向位置提高，平坦因子随进气量变化无明显差异，说明反应器顶部的两相流已获得充分发展。

图5 平坦因子随进气量变化的分布规律Fig.5 Distribution of flatness factor across admission flow discharge

图6为气泡结构的条件相位平均波形。由图6可知，随着径向逐渐远离中心，波形变化逐渐平坦，表明了气液两相的速度逐渐接近。这不难理解，从实验现象也可以看出，气泡产生于喷嘴出口处，气泡喷出同时气液两相流动没有获得充分发展，随着气泡远离喷嘴，两相流速度上的差异明显减小，两相获得充分混合并形成充分发展两相流动，此时气泡结构不具备有典型气泡特征。法向高度与气泡流动的变化强度成反比，两相速度逐渐接近的同时平均速度加大，气液两相流动获得充分发展。反应器上下两端气泡结构不明显，并且上下两端的平均速度不同，从而形成了反应器内循环流动的驱动力。

图6 相位平均波形随法向位置分布规律Fig.6 Distribution of phase-averaged waveform across normal direction

图7为在不同径向位置处，气泡结构的条件相位平均值在不同法向方向上随进气量的变化规律。随法向高度增加，不同进气量时气泡结构的相位平均波形变化趋势相接近，气泡结构明显。同一径向位置，相位平均波形随法向变化差异不明显。同一法相位置随径向位置远离喷口中心，气泡结构逐渐变弱，两相速度接近，无明显差异，说明远离喷口中心位置，喷口气泡对气液两相湍流影响较小，波形变得平坦。

图7 不同法向位置相位平均波形随进气量的分布规律Fig.7 Distribution of phase-averaged waveform in different normal positions across admission flow discharge

4 结论

利用热膜风速仪，在不同进气量、不同空间位置，测量鼓泡塔内气液两相流动的瞬时时间序列速度信号。采用子波系数检测两相流的平坦因子和瞬时强度因子，以单气泡结构条件相位的平均波形为基础，对鼓泡塔内气液流动中气泡结构的运动规律进行了研究。结论如下:

(1)鼓泡塔中的气泡结构是两相湍流产生奇异性和间歇性的诱因。恒温热膜测速仪及子波分析方法，可用于鼓泡塔内气液两相流场的测量，以及气液两相流动多尺度相干结构的条件相位平均波形和间歇性的研究。

(2)在远离喷嘴出口的径向位置和法向位置，气液两相流的平坦因子增大，气液两相湍流得到充分的发展。气流量的增大只对靠近喷嘴的底部沿径向侧向的平坦因子产生影响。

图8 不同法向位置相位平均波形随径向位置的分布规律Fig.8 Distribution of phase-averaged waveform in different normal positions across radial direction

(3)在喷嘴的不同法向位置，气泡结构的时间尺度及动力学演变过程不同。从不同法向位置气泡结构的条件相位平均波形随径向位置的分布规律可知，喷嘴出口区域的一定喷射锥角度范围内，才具有气泡结构，该区域内有利于两相的混合及化学反应的进行。

［1］余振苏，苏卫东.湍流中的层次结构和标度律［J］.力学进展，1999，29(3):289－303.

［2］夏振炎，靳秀青，姜 楠.基于小波及Hilbert－Huang变换提取壁湍流相干结构［J］.天津大学学报，2012，45(4):373－378.

［3］谢 华，姚惠之，田于逵，等.潜艇模型尾流场脉动速度及压力的子波自相关分析［J］.船舶力学，2010，14(1/2):1－9.

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［5］龙 军，冀海峰，王保良，等.经验模态分析和小波分析在小通道气液两相流流型辨识中的应用［J］.高校化学工程学报，2011，25(5):759－765.

［6］DAUBECHIES I.Ten lecture on wavelets:CBMS － NSF Reg.Conf Ser Appl Math［C］//Philadelphia.SIAM Press，1992.

［7］MARIE FARGE，NICHOLAS KEVLAHAN，VALERIE PERRIER，et al.Wavelet and turbulence［J］.Proceedings of the IEEE，1996，84(4):639－669.

［8］舒 玮，姜 楠.湍流中涡的尺度分析［J］.空气动力学学报，2000，18(2):89－95.

Multi-scale coherent structures and intermittency in-gas-liquid two-phase turbulent flow

CHEN Wenyi1，2， GUO Shasha1，2， JIANG Nan3
(1.Department of Process Equipment＆ Control Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;2.Research Center of Engineering Fluid ＆ Process Enhancement，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;3.Department of Mechanics，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

This paper is concerned with the fine measurement of the instantaneous velocity time sequence of gas-liquid two-phase turbulent flow at different spatial locations in a reflux reactor by the constant-temperature hot-film anemometer.The paper describes development of a conditional sampling technique using instantaneous intensity factor and flatness factor of wavelet coefficients to discriminate the multi-scale coherent structures in gas-liquid two-phase turbulent flow and introduces the use of the method based on the phase-averaged waveforms of the structure of the single bubble to the study about gas-liquid two-phase turbulent flow in the bubble column.The results show that the bubble structure in the bubble column results in occurrence of singularity and intermittency in the gas-liquid two-phase turbulent flow.Only within the certain spray cone angle are some bubble structures found，and affected by the corresponding flat factor and intermittency.

gas-liquid two-phase turbulence flow;condition phase-averaged waveform;intermittency;flatness factor

O357

A

1671－0118(2012)04－0387－06

2012－06－28

河北省自然科学基金项目(E2012202109);石家庄科学技术研究与发展项目(11108271A)

陈广义(1963－)，男，吉林省扶余人，教授，博士，研究方向:液体力学、化工过程强化及设备优化，E-mail:cwy63@126.com。

(编辑 徐 岩)