多孔介质通道气液两相流型及压降特性研究

杨晓明，孙 斌，翟东旭

(1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012;2.国电吉林江南热电有限公司，吉林吉林132011)

在动力工程，石油化工，核能利用等领域广泛存在气液两相流体在多孔介质中流动的现象，如化工行业多孔填料中的流动和核反应堆的冷却［1－3］。对多孔介质中流动的研究已经成为当前工程热物理学科的一个重要研究课题［4］。

目前，国内外学者对多孔介质通道内的气液两相流动特性进行了较多研究，但对竖直向上流动条件下的流动特性研究较少。Larkins［5］等最早对竖直条件下多孔介质通道的气液两相流动特性进行了实验研究，此后一些学者陆续对气液两相流在不同结构参数的多孔介质通道内的流动特性进行了研究，并得出了相应的流动阻力关系式［6－17］。

本文对由球形颗粒填充而成的多孔介质通道进行了气液两相竖直向上流动的实验研究，采用高速数字摄像仪采集分析了四种不同结构参数多孔介质通道内的流型信息，通过数据采集系统测量了不同流型时多孔介质通道内的压差信号，通过对两类阻力模型拟合得出阻力关系式并进行了比较。

1 实验装置及方法

实验是在空气－水两相流系统上完成的。实验装置如图1所示。该实验装置由以下三部分组成:流体控制系统，数据采集系统和图像采集系统。流体控制系统包括水箱，水泵，空气压缩机，气液混合器，实验段和旋风分离器。水由水泵从水箱中抽出经孔板流量计计量后进入气液混合器，空气经空气压缩机和电磁流量计计量后进入气液混合器。气液两相流体在混合器中混合后，流经实验段，进行差压信号采集和流型图像采集后进入旋风分离器实现气液分离，分离出的空气直接排入大气，分离出的水流回水箱进行循环利用。

图1 实验装置系统图

数据采集系统主要包括恒压直流电源，数据采集板和差压变送器。采集板为16通道数据采集板。差压变送器采用Rosemount3051S电容式差压变送器，测量精度为0.05%。图像采集系统主要由照明系统和高速摄影系统组成。由于高速摄影法对光线的亮度有较高的要求，本次实验采用500W的钨灯管作为照明系统光源。高速摄影系统采用瑞士公司研制的Speed Cam Visario系统，该系统最大分辨力为1536×1024，最大帧速为10000帧/s，可以清晰的抓拍各种流型的瞬变图像。在流型图像采集过程中，逆光照明难以穿透实验段，无法提供足够亮度，因此采用顺光照明。

实验测试段竖直布置在实验台上，测试段是由壁厚5 mm的有机玻璃管制成的长为1 000 mm，内径为50 mm的圆柱形通道，其内部分别填充直径为2、3、5.5、8 mm的有机玻璃球，形成四种不同结构参数的多孔介质通道，通道参数见表1。在实验段填装时，通过高速水流的冲击和振动以使通道内的玻璃球填充紧密，并在实验段两端加装不锈钢滤网和有机玻璃旋塞充分压紧固定，以防止当实验气液流量较大时通道内的玻璃球发生松动。为了消除进出口效应，取压点布置在距实验段进出口各100 mm的位置。为了保证实验时的取压均匀和防止玻璃球对取压点形成堵塞，沿实验段周向均匀开四个1mm的取压孔，并在其外安装有机玻璃取压环。

表1 实验段参数

实验时，先调节水流量调节阀，将水流量调节到所需流量后，再调节气体流量来改变流经测试段的总流量和含气率，待气液两相流动稳定后，采集实验段的流量，差压等参数，并通过高速摄影系统获取流型，重复以上步骤直至实验结束。

本文拍摄图像的分辨率为1536×1024，帧频为1 000帧/s。

实验参数范围:温度15－25 ℃，气相流量0.3－12 m3/h，液相流量0.18－0.45 m3/h。

2 实验结果及分析

2.1 两相流型及图像分析

在本实验参数范围内，固定液体流量，渐次提高气体流量，依次拍摄到泡状流、弹状流、脉冲流、雾状流四种流型。

图2 泡状流

泡状流:如图2所示，在气液流速均很低时气泡呈球形，其尺寸小于孔隙尺寸，可以在孔隙中自由流动，随着气体流速增加，气泡尺寸变大，受到孔隙的挤压而变形，气泡在流动过程中受孔隙结构和自身尺寸影响可能会暂时滞留于孔隙中。

弹状流:如图3所示，在泡状流基础上继续增大气体流量，气泡数量增多，尺寸和运动速度逐渐增大，相邻气泡开始碰撞融合形成细长气泡，随着气体流速增加，气泡之间的融合频率增加并最终形成气弹，气弹形状与孔隙形状相似，其尺寸与孔隙尺寸相当，由于多孔介质孔隙结构非常复杂，气弹在向上流动过程中可能会破裂并与其他气弹融合，气弹长度随着气体流量增加先增大后因破裂频率增加而逐渐减小。

图3 弹状流

脉冲流:如图4所示，进一步增大气体流量，气弹在液相的剪切和多孔介质结构的双重作用下，被分解成大量的气团，两相流动进入脉冲流形态，脉冲流存在明显的富气段和富液段分界面，富气段和富液段交替通过多孔介质通道，富液段内部液相占据大部分空间，气相以形状各异的气团形式存在，而富气段具有明显的雾状流动特征，继续增大气体流量，富液段长度逐渐减小，其内部含气率逐渐增大，分界面逐渐模糊消失，两相流动最终进入雾状流形态。

图4 脉冲流

图5 雾状流

雾状流:如图5所示，当气相流速极高时，两相流动呈现雾状流形态，气相形成连续通道，液相在填充小球表面形成液膜并被高速流动的气体裹挟进入气相形成雾状流动，在调节气体流量刚进入雾状流型时，孔隙率较大的通道壁面存在大量高速流动的小气泡，继续提高气体流量，气泡数量减少并逐渐形成连续气相。

2.2 压降特性

四种多孔介质通道的压降特性如图6所示。从图6可以看出，固定液相流量，通道压降随着气相流量增加而增大，但其变化幅度逐渐减小，最后与气相流量基本呈线性变化。从图中还可看出，在两相流速相近的流动条件下，通道压降随着填充颗粒直径的增加而减小，4#通道阻力压降比其余通道低一个数量级，这是因为随着颗粒直径增大，通道内颗粒的总表面积减小，即流体与颗粒的作用面积减小，流动中的惯性损失减小，从而使流动阻力显著下降。

图6 四种通道的压降特性

随着对多孔介质气液两相流动研究的进展，国内外的研究者陆续提出了一些用于计算多孔介质气液两相流动阻力的经验公式，这些公式大致上可以分为以Lockhart－Martinelli概念为基础的分相模型阻力公式和以气液两相雷诺数为基础的均相模型阻力公式［7］，鉴于相关的研究还很不完善，实验数据不够丰富，本文将以实验数据为基础对这两类阻力公式分别进行拟合，并对其预测精度进行比较。

2.2.1 分相模型阻力公式

多孔介质通道分相模型阻力公式的常用形式如下:

式中，ΦL为分液相折算系数，χ为分气相折算系数，ΦG与分液相折算系数ΦL的比值，即马蒂内里参数，C与n是经验常数，上述参数的定义式如下:

分液相折算系数:

分气相折算系数:

马蒂内里参数:

上述定义式中，(dP/dx)为气液两相流动时的阻力压降梯度，(dP/dx)G和(dP/dx)L分别为气液两相单独流过多孔介质通道的阻力压降梯度。本文采用广泛采用的Ergun［16］公式计算单相流体流过多孔介质时的压降，Ergun公式为:

上式中，μ为流体动力粘度，Pa·s;u为流体折算速度，m/s;ρ为流体密度，kg/m3;A、B为Ergun方程的经验常数，其值与填充颗粒形状和大小有关，本文实验条件下A和B的值分别取180和1.8［16］。

根据上述定义式和单相流体压降方程通过对实验数据进行拟合得到C=1.035，n=0.359，拟合结果如图7所示。

利用本文改进后的分相模型关系式对4种通道在实验条件下的阻力压降进行计算，并将计算结果与实验数据进行比较，得出其对4种通道的平均相对误差值分别为 9.15%、7.85%、8.83%、10.94%。

2.2.2 均相模型阻力公式

多孔介质通道均相模型阻力公式以气液两相雷诺数为基础，本文采用Kahn［17］提出的阻力系数定义，其形式如下:

图7 ΦL关于χ的拟合曲线

在上述定义式中，dp为填充颗粒直径，m，uSL为液相折算速度，m/s，ρL为液相密度，kg/m3。

以气液折算速度作为特征速度，填充颗粒直径作为特征尺寸定义多孔介质两相流动的气液雷诺数，定义形式如下:

在上式中，uSG为气相折算速度，ρG为气相密度，μG为气相动力粘度，μL为液相动力粘度。

本文认为通道阻力系数由气相雷诺数，液相雷诺数，通道孔隙率，填充颗粒直径和通道直径共同决定。通过与实验数据拟合得到如下的阻力系数关系式:

在上式中，dc为多孔介质通道直径，m。

将阻力公式(9)的预测结果与实验数据进行比较，结果如图8所示。从图8可以看出，通过公式(9)计算得到的阻力值与实验值符合很好。公式(9)对四种通道阻力预测的平均相对误差值分别为4.73%，6.53%，6.49%，8.05%。

图8 公式(9)预测值与实验值的比较

2.2.3 改进后两类模型阻力公式的比较

分相模型阻力公式形式简单直观，但其并没有体现出影响阻力压降的内部因素，均相模型阻力公式形式较为复杂，但其包含了影响阻力压降的重要因素，包括反映流体性质的气液两相雷诺数和反映通道结构特征的孔隙率、填充颗粒直径和通道直径。在对阻力预测的准确度方面，公式(9)对1#通道的预测准确度最高，随着颗粒直径的增加，公式(9)的预测误差有所增大，这是因为1#通道的孔隙率在径向差别最小。公式(9)对四种通道阻力预测的准确度均优于公式(1)。

3 结 论

本文对多孔介质通道气液两相垂直向上的流动特性进行了研究，通过高速摄影仪在实验参数范围内依次观察到泡状流、弹状流、脉冲流、雾状流四种流型，并总结了各种流型的特征。依据实验获得的两相流动阻力数据，分别对多孔介质分相和均相阻力模型进行拟合，得出了适于本实验特点的两类阻力关系式，改进后的两类模型均与实验数据实现了较好的吻合，但均相模型相对于分相模型，由于其模型定义中包含了影响多孔介质两相流动阻力压降的各个要素，因此其物理意义更加清楚，并且其对四种通道阻力预测的精度均优于分相模型，因此均相模型可以优先用于多孔介质通道气液两相流动的阻力计算。

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