倾斜和摇摆状态下矩形通道内泡状流局部参数特性研究

阎昌琪，金光远，孙立成，王 洋

（哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001）

倾斜和摇摆状态下矩形通道内泡状流局部参数特性研究

阎昌琪，金光远，孙立成，王 洋

（哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001）

在倾斜和摇摆条件下，对矩形通道（40mm×3mm）内泡状流的局部参数分布特性进行了研究。竖直条件下，“核峰”和“壁峰”分布形式在实验中都有出现；在液相折算速度较小和气相折算速度较大的工况下，局部参数呈现“核峰”分布。倾斜条件下，通道上方的峰值随倾斜程度的增加而变大，而通道下方的峰值随倾斜程度的增大而减弱，直至消失。摇摆条件下，当摇摆角度与倾斜角度相同且逐渐增加时，局部参数的分布主要体现在通道上方峰值的增加，但不改变出现峰值的位置，相应地，通道下方的峰值略有减少。不同摇摆工况下，摇摆振幅越大，摇摆运动的程度越剧烈，其对相同倾斜角度的峰值的影响也越大。

摇摆条件；倾斜条件；矩形通道；空泡份额；界面面积浓度

泡状流广泛存在于石油化工、能源动力（如核能）、制冷、航天器开发等行业中，对于泡状流的空泡份额、界面面积浓度（IAC）、漂移模型计算和摩擦特性的研究已开展多年［1－5］。矩形通道内，对于泡状流的研究主要集中于阻力特性、气泡漂移速度、分布参数、界面参数（空泡份额和界面面积浓度等）、气泡频率、气泡几何尺寸（如Sauter直径、均周等效直径等）、气泡受力等内容［6－9］，由于测量手段的增加，测量精度也有升高，近几年国内外对于泡状流的研究逐渐呈现由宏观向微观转变的过程。

Kim等［7］使用双探头电导探针对1cm× 20cm的矩形通道内空气-水上升流动泡状流的局部空泡份额进行了研究，实验结果表明，空泡份额在矩形通道中呈现与圆管相似的管中间值较低、近壁面处值较高的“壁峰”型分布。Shen等［10］通过处理高速摄影下窄矩形通道内的图像对7个轴向位置的泡状流发展过程进行了研究，验证了已有典型漂移流模型计算空泡份额和界面面积浓度的有关结论。综合泡状流各参量的研究来看，目前对于泡状流局部参数的研究并不全面，对于局部参量的分布形式、气泡受力以及不同形式的管道内部泡状流特性的研究并不深入，倾斜、摇摆条件下矩形通道内泡状流局部参数特性的研究尚未见文献报道。本文就上述内容开展研究。

1 实验装置与实验内容

实验系统示意图如图1所示，本实验选取长为2 000mm、宽为40mm、高为3mm的透明有机玻璃矩形通道，通道宽高比为13.3，水力直径为5.58mm。长、宽、高的测量误差分别为±0.1、±0.02、±0.02mm。两个压力传感器安装在实验段宽边方向，距离为1 000mm，为消除入口段效应，下测压点布置在距入口500mm处（L／D＝89.6），压力传感器选用精度等级为0.1的PR35X压力变送器，上下测压点压力变送器量程分别为100kPa和250kPa。

实验系统由测量系统、气回路和水回路3部分组成。实验工质为空气和去离子水。空气由压缩机压缩后储存在储气罐中。空气从储气罐流出后，通过减压阀保证压力稳定，经气相质量流量计（型号Promass83，精度0.1）测量流量后，进入混合腔，流经实验段后，最终在实验段上方排入大气。水箱内的水在水泵驱动下，分别流经流量调节阀和质量流量计（型号Promass83，精度0.1），流入混合腔后与来自气回路的空气充分混合，之后进入实验段，最终回到水箱。

图1 实验系统示意图Fig.1 Scheme of experimental system

流量与压力信号由NI采集系统采集，采样频率为256Hz。实验在常压下进行，液相折算速度为1.12～2.59m／s，气相折算速度为0.071～0.160m／s。

实验段主体管路固定在摇摆台架上，通过胶质软管与供水供气系统连接，摇摆台如图2所示。摇摆台由液压驱动，根据设定的摇摆周期和角度绕转轴做正弦摇摆运动，可设定的摇摆周期T和摇摆幅度θm分别为5～16s和5°～30°，摇摆台自带角度的采集系统与实验段流量及压力信号采集保持同步。实验中选取的摇摆工况为：θm＝5°／T＝8s、θm＝10°／T＝8s、θm＝15°／T＝8s、θm＝15°／T＝12s、θm＝15°／T＝16s。图2所示摇摆台逆时针转动为摇摆运动的正角度，同时定义顺／逆时针方向，摇摆台逆时针经过10°，定义角度为10°＋。

图2 摇摆台侧视图Fig.2 Side view of rolling platform

摇摆台运动规律如下：

本实验主要对矩形通道中心平行于宽边方向的泡状流局部参数进行研究。如图3所示，在矩形通道中心，平行于宽边方向，沿x轴设定11个点，测量点与通道左侧边缘的距离与通道宽边的比值分别为0.045、0.136、0.227、0.318、0.409、0.500、0.590、0.682、0.773、0.864、0.955。

图3 局部测量位置设定Fig.3 Local measurement locations

2 实验数据处理

空泡份额与界面面积浓度通过高速摄影仪直接拍摄的图像计算得到。本实验中，设定高速摄影视场为480×720像素平面，对应的实验段可视范围为40mm×60mm，由于高速摄影对于气泡位置的误差是±1像素点，经计算，实际对于气泡位置的误差为±0.08mm。

图像处理过程示意图如图4所示，具体过程为：1）将气泡图像转化成矩阵数据（本实验中先将其转换成256灰度图）；2）通过图像边缘的“膨胀”与“收缩”等图像处理使气泡边界凸显并闭合；3）设定灰度阈值或气泡边界的梯度阈值，将图像转换成黑白图；4）读取气泡边界，再次增强边界对比度和数据平滑度；5）标记气泡；6）读取图像平面上的气泡数目、表面积、周长和等周长气泡直径等几何参数；7）计算空泡份额、界面面积浓度、气泡频率等参数。

图4 图像处理过程Fig.4 Image processing

对于本实验中的泡状流，如果测得的气泡外等周直径小于3mm，则假设气泡为圆球形，如果测得的气泡外等周直径大于3mm，这种情况下的气泡一般呈饼状。此时，可认为在宽边上的液膜非常薄，可忽略。

局部点空泡份额和截面平均空泡份额的计算通过局部气泡占有的体积与所研究区域占有的通道总体积的比值决定。局部空泡份额的计算如下：

其中：n为每张图片中研究区域的气泡个数；V0为视场范围11等分后研究区域的体积，654.54mm3。

局部点界面面积浓度的计算通过局部的界面表面积与所研究区域占有的通道总体积的比值决定（需注意，对于饼状气泡的表面积，要计算两个与通道接触的圆形面积与侧面部分的表面积之和）。局部界面面积浓度的计算如下：

由于在泡状流局部参量的研究中，Sauter平均直径是一重要的体现气泡直径的几何尺寸，局部气泡的Sauter平均直径Dsmi为：

局部气泡频率fi通过下式计算：

其中，Ni为第i个区域在T时间内通过研究区域的气泡数。

3 实验结果分析

3.1 竖直条件下矩形通道内泡状流局部参数特性

图5 竖直条件下的局部界面参数Fig.5 Local interfacial parameters under vertical condition

图5为竖直条件下矩形通道内局部参数（包括空泡份额、界面面积浓度、Sauter平均直径和气泡频率）的计算结果。两种典型的局部参数分布形状，即“核峰”和“壁峰”分布在实验中都有所体现。“壁峰”分布形状是用来描述局部参数在管道中央区域的值较小且变化不大，而在近壁面处有较大的峰值出现。“核峰”分布形状是指峰值出现在中心区域附近，近壁面处并无峰值出现。在大部分的气液工况中，局部空泡份额、界面面积浓度和气泡频率都呈现“壁峰”分布，在液相折算速度较小和气相折算速度较大的工况，这3种参数呈现“核峰”分布。实验结果显示，局部空泡份额与界面面积浓度在矩形通道中有相同的分布形式。

对于空泡份额和界面面积浓度，不同的局部参数分布是由气泡在沿宽边上的运动方向决定的，这种运动一般由气泡的直径决定。根据“壁峰”与“核峰”的转换点分析，本实验中用来判别气泡运动方向的直径为5mm。

气泡频率的分布形式与空泡份额和界面面积浓度的类似，因此在本实验中，局部空泡份额和局部界面面积浓度的分布形式主要受气泡频率的影响，而不是气泡大小的变化。

3.2 倾斜条件下矩形通道内泡状流局部参数特性

图6示出倾斜（5°、10°和15°）条件下矩形通道内局部空泡份额、界面面积浓度、Sauter平均直径和气泡频率的结果及与竖直条件的比较。

对于相同的倾斜工况，局部的空泡份额、界面面积浓度和气泡频率的分布形状是相同的，这与竖直条件下得到的结论一致。不同的倾斜状态下，气泡的Sauter平均直径沿宽边方向仍变化不大，即使在气泡大部分堆积的通道上方，这意味着气泡在通道上方聚集但未合并。在通道的上方，“壁峰”以及“核峰”分布形式的峰值随倾斜程度的增加而变大，对应地，通道下方的峰值随倾斜程度的增大而减弱，直至消失。

倾斜状态下，气泡主要受浮力作用向通道上方移动。本实验中，气泡受浮力作用在通道上方聚集，但由于Sauter直径仍变化不大。因此可判定，气泡空泡份额和界面面积浓度在倾斜状态下的分布仍以气泡的频率体现，而不是气泡大小的变化。

图6 倾斜条件下的局部界面参数Fg.6 Local interfacial parameters under inclined condition

3.3 摇摆条件下矩形通道内泡状流局部参数分布特性

图7为倾斜工况、不同的摇摆工况（15°／8s和10°／8s）顺时针和逆时针经过5°时，矩形通道内泡状流的局部空泡份额与界面面积浓度的分布。由图7可看出，当摇摆角度与倾斜角度相同且逐渐增加时（角度右下角为＋），对于局部参数的分布主要体现在通道上方峰值的增加，但不改变出现峰值的位置，相应地，通道下方的峰值略有减少。对于不同的摇摆工况，摇摆振幅越大，摇摆运动的程度越剧烈，其对相同倾斜角度的峰值的影响也越大。

图7 倾斜与摇摆条件下相同角度的局部参数对比Fig.7 Local interfacial parameters in same angle under inclined and rolling conditions

4 结论

1）在竖直条件下，两种典型的局部参数分布形状，即“核峰”和“壁峰”分布在实验中都有出现。在大部分的气液工况中，局部空泡份额、界面面积浓度和气泡频率都呈现“壁峰”分布，在液相折算速度较小和气相折算速度较大的工况，这3种参数呈现“核峰”分布。

2）倾斜条件下，在通道的上方，“壁峰”及“核峰”分布形式的峰值随倾斜程度的增加而变大，相应地，通道下方的峰值随倾斜程度的增大而减弱，直至消失。

3）摇摆条件下，当摇摆角度与倾斜角度相同且逐渐增加时，对于局部参数的分布主要体现在通道上方峰值的增加，但不改变出现峰值的位置，相应地，通道下方的峰值略有减少。对于不同的摇摆工况，摇摆振幅越大，摇摆运动的程度越剧烈，其对相同倾斜角度的峰值的影响也越大。

［1］ MISHIMA K，ISHII M.Flow regime transition criteria for upward two-phase flow in vertical tubes［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1984，27：723-737.

［2］ ISHII M.One-dimensional drift-flux model and constitutive equations for relative motion between phases in various two-phase flow regimes，ANL-77-47［R］.USA：ANL，1977.

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YANG Jian，ZHANG Mingyuan，SU Yuliang，et al.Statistical method to calculate local interfacial variables in horizontal gas-liquid bubbly flows［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2002，53（8）：871-874（in Chinese）.

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［10］SHEN X Z，HIBIKI T，TAKAFUMI O.Onedimensional interfacial area transport of vertical upward bubbly flow in narrow rectangular channel［J］.International Journal of Heat Fluid Flow，2012，36：72-82.

Characteristic of Local Parameter of Bubbly Flow in Rectangular Channel under Inclined and Rolling Conditions

YAN Chang－qi，JIN Guang－yuan，SUN Li-cheng，WANG Yang
（Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

Characteristics of local parameters of bubbly flow were investigated in rectangular channel（40mm×3mm）under inclined and rolling conditions.Under vertical condition，the distribution type‘wall peak’and‘core peak’are observed，and‘core peak’exists when the liquid superficial velocity is low and the gas superficial velocity is high.Under inclined condition，the peaks of two distribution types get strengthened at the top of the channel，and weakened at the bottom.Under rolling condition，the peaks of two distribution types get strengthened compared with the same angle under inclined condition when the angle is getting larger.The influence from rolling motion gets stronger on the peak of two distribution types when the rolling movement is more violent.

rolling condition；inclined condition；rectangular channel；void fraction；interfacial area concentration

TL334

：A

：1000-6931（2015）05-0813-06

10.7538／yzk.2015.49.05.0813

2014-01-20；

2014-07-23

国家自然科学基金资助项目（11175050，51376052）

阎昌琪（1955—），男，黑龙江哈尔滨人，教授，硕士，从事核动力装置性能、反应堆热工水力及气液两相流研究