水平管气液两相钝体绕流稳定性的实验研究*

李延岩， 孙宏军

(1.天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072；2.过程检测与控制重点实验室，天津 300072)



研究与探讨

水平管气液两相钝体绕流稳定性的实验研究*

李延岩1,2， 孙宏军1,2

(1.天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072；2.过程检测与控制重点实验室，天津 300072)

通过对水平管气液两相钝体绕流中的泡状流和段塞流进行实验研究，从重复性、斯特劳哈尔数(St)随体积含气率的变化和不同体积含气率的斯特劳哈尔数相关性三个方面对涡街稳定性进行分析，得出体积含气率在15 %以内能形成稳定涡街，大于15 %时，稳定涡街受到破坏，但仍有漩涡脱落的结论。实验结果表明：三种方法所得结果具有一致性，且稳定可靠。

气液两相； 钝体绕流； 斯特劳哈尔数； 重复性

0　引　言

钝体绕流现象广泛存在于工业现场和实际生活中。气液两相钝体绕流较常见的情形：火力发电厂中锅炉汽包供给蒸汽的计量、核电站轻水反应堆[1]、各种壳管式热交换器、原油开采与输运等。

国内外学者对气液两相钝体绕流做了许多有益的研究工作。Hulin J P等人[2]研究了气液两相绕流两钝体的涡街脱落特性，指出来流截面含气率小于10 %时可得到稳定的卡门涡街。Yokosawa M等人[3]用平板研究两相泡状流的尾流，定量展现出两相流尾流的形状并讨论了其特性。卢家才等人[4，5]研究了矩形截面管内气液两相冲刷柱体时，斯特劳哈尔数(St)数和脉动升力系数随雷诺数和来流含气率的变化关系。戴玮等人[6]分别对电导和电容传感器在气水和油气的条件下进行两相流层流标定实验，得出电导和电容传感器的输出均和管道内含液率有良好的线性关系。李永光等人[7～9]研究了空气和水两相绕流两种尺寸的T形柱体产生涡街时气液两相斯特劳哈尔数的变化规律，获得了两相斯特劳哈尔数、来流截面含气率、水流量三者之间的关系。何泳成等人[10]基于双截面电阻层析成像技术进行气液两相流的相关速度测试研究，分析了相关速度的测量原理，提出了基于截面含气率的相关测速方法。

本文研究不同体积含气率β和流速下气液两相钝体绕流的特性。

1　涡街分离原理

流体的绕流运动会产生旋涡分离，目前常用发生体为三角柱结构，如图1所示，发生体左侧箭头为流体运动方向，u为来流速度，p为压力，AB为迎流面,AE和DB为流体截面、直角坐标系x，y。

图1　涡街分离原理示意图

流体流经AB迎流面， x方向流速降为0，y方向流速先增大后减小。B处的实际流速方向为k。实际流体有粘性，在斜边AC和BC上产生边界层，边界层外流体作减速增压，边界层内流体出现倒流现象。到达一定程度产生边界层分离现象，在后端形成两列漩涡，即卡门涡街。涡街频率f与来流流速u的关系为

(1)

式中f为涡街频率，Hz；St为斯特劳哈尔数；u为管道来流速度，m/s；d为发生体迎流面宽度，m；D为管道直径，m。

2　实验系统

在天津大学过程检测与控制重点实验室三相流实验装置DN50管段上进行实验。实验系统如图2所示。

图2　实验系统装置图

两相介质为水和空气。空气经过滤器过滤、压缩机加压和冷干机降湿后送入储气缓冲罐2，储气罐和计量管段之间安装稳压阀，保证气路压力稳定。调节控制阀可调节气流量的大小。从引射器喷出的气液混合流经过直管段充分发展后，进入实验管段。实验条件：水为连续相，气为离散相，温度为20 ℃，液相流量点为：7,8,9,10 m3/h；体积含气率：0 %～20 %。实验流型：β>3 %时，为段塞流；β<4 %时，为泡状流。采用有机玻璃透明管道，在发生体后1.5D(D为水平管道内径)处安装压电探头检测涡街信号，在发生体前5D处取压，以检测流场压力变化。涡街信号和压力信号采用NI—6009板卡进行采集并通过LabVIEW软件实现实时数据记录。

3　实验结果与分析

3.1含气率对涡街信号的影响

对于气液两相流来说，离散相的加入必会对涡街的产生和发展造成影响，且随着离散相的增多，这种影响会不断加强。下面以体积含气率β为特征量，分析空气的加入给涡街信号带来的影响。

由图3知，β=0 %时涡街信号稳定性最好且信号幅值最大。当β≤15 %时，随着β增加，涡街信号变得不规则，稳定性逐渐变差，有很大衰减，但仍能采集到较稳定的涡街信号。当β>15 %时，随着β增加，涡街信号产生很大波动，稳定性极差，仍有旋涡脱落，但已检测不出稳定涡街信号。当β>20 %时，采集的信号基本上是干扰信号。可得，β=15 %为涡街信号稳定与不稳定的分界点。

图3　不同体积含气率下的涡街信号图

3.2涡街稳定性分析

3.2.1涡街信号重复性分析

气液两相流中，随着体积含气率β不断增大，涡街有一定耗散，且逐渐不稳定，实验的可重复性就变差。重复性σ表征测量结果的一致性，选 σ作为判断气液两相流稳定性的依据，其公式如下

(2)

σ=[σi]max

(3)

式中fij为第i个实验点第j次检测的涡街频率值；fi为第i个实验点的涡街平均频率值；σi为第i个实验点涡街频率值的重复性。

由图4可知，当体积含气率β≤15 %时，每个流量下各实验点的涡街频率重复性在5 %以内，重复性较好，流场比较稳定；当体积含气率β>15 %时，涡街频率重复性基本上大于5 %，重复性变差，流场变得不稳定。

图4　重复性随体积含气率变化图

3.2.2气液两相流斯特劳哈尔数分析

斯特劳哈尔数是分析气液两相流动稳定性的主要参数。在单相流中，斯特劳哈尔数(St)在一定雷诺数(Re)范围内为常数，在气液两相流中，St由式(4)计算可得

(4)

式中

(5)

式中f为气液两相涡街频率，Hz； w为涡街发生体体征尺寸，m；u为气液两相混合物经过发生体时的平均流速，m/s；A为发生体两侧有效截面积，如图5中阴影部分所示，m2；Qvg为液相体积流量，m3/h；Qvl为气相体积流量，m3/h；

图5　发生体前部截面图

由图6知，β≤15 %时，各流量点下St随β 增大而减小，相关性较强； β>15 %时，St变化杂乱无章，没有明显规律，可推断每个流量下β≤15 %时有稳定涡街产生。

图6　斯特劳哈尔数随体积含气率变化散点图

3.2.3斯特劳哈尔数St相关系数分析

由图7知,对各流量点分β≤15 %,15 %<β≤20 %两种情形的St随β变化进行线性拟合，对比相关系数和标准差。以8m3/h为例，当β≤15 %时，近似成线性关系，拟合关系式为y=-0.073 6×10-4x + 0.165 2，相关系数R为-0.889 2，标准差为0.001 53；当15 %<β≤20 %时，R为-0.152 8，标准差0.004 14，明显不相关，且误差很大。

图7　St随β变化图

7,9,10 m3/h流量点的St随β变化拟合结果如表1所示：β≤15 %时，St随β增大而线性减小，线性相关性好，说明涡街较稳定；15 %<β≤20 %时，St变化与β变化相关性不强，偏差较大，说明此β下无稳定涡街生成。所以涡街从稳定到不稳定是一个渐变的过程。

表1　各流量点在两种情形下St的相关系数

4　结　论

本文从重复性、气液两相斯特劳哈尔数(St)随体积含气率β的变化和斯特劳哈尔数(St)的相关性三个方面对涡街稳定性进行分析，得出相同流量下，当β≤15 %时，有稳定涡街产生;当β>15 %时，依然存在旋涡脱落，但由于气相对旋涡耗散的作用，涡街稳定性逐渐被破坏直至无法形成。

[1]Schroeder H J.Chemistry in nuclear-power stations with light water-reactors[J].Chemiker-zeitung, 1984, 108(2):55-64.

[2]Hulin J P，Fierfort C，Condol R.Experimental study of vortox emission behind bluff obstacles in a gas-liquid vertical two-phase flow[J].International Journal of Multiphase Folw，1982，8(5)：475-490.

[3]Yokosawa M, Kozawa Y, Inoue A.Studies on two-phase cross flow, part II:Transition Reynolds number and drag and drag coefficient[J].Int’ J of Multiphase Flow, 1986, 12(2):169-184.

[4]Lu Jiacai，Xie Zhengwu，Lin Zonghu.Study on the fluctuating lift acting on a circular cylinder under two-phase cross-flow [J].Chinese Journal of Applied Mechanics，2000，17(1)：76-80.

[5]Lu Jiacai，Xie Zhengwu，Wang Yangpeng.Pressure distribution around circular cylinder for gas-liquid two-phase cross flow[J].Journal of Xi’an Jiao Tong University，1999，33(1)：55-58.

[6]戴玮，谭超，董锋.水平管道油气水三相流含水率测量[J].传感器与微系统，2015，34(1):135-138.

[7]李永光，林宗虎.垂直上升气液两相流中三角形柱体两相斯托拉赫数的研究[J].水动力学研究和进展，1999，14(4):438-443.

[8]李永光，林宗虎.气液两相涡街稳定性的研究[J].力学学报，1998，30(2):138-144.

[9]李永光，林宗虎.气液两相绕流柱体时的涡街特性的研究[J].应用力学学报，1994,11(1):37-40.

[10] 何泳成，王化祥，张立峰，等.基于截面含气率的气/液两相相关速度测量[J].传感器与微系统，2009，28(10):103-106.

Experimental research on stability of gas-liquid two-phase flow around bluff body in horizontal pipe*

LI Yan-yan1,2， SUN Hong-jun1,2

(1.School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Key Laboratory of Process Measurement and Control, Tianjin 300072，China)

Experimental researches are carried out on bubble flow and slug flow of flow around bluff body in horizontal gas-liquid two-phase flow.Stability of vortex street is analyzed based on repeatability, variation trend ofStand correlation research ofStwith changing volume void fraction.It is concluded that the flow field can produce a stable vortex street when volume void fraction is within 15 % but the stable vortex street is destroyed and it can still produce vortex street when volume void fraction is greater than 15 %.Experimental studies show that the results of three methods are consistent and have good stability.

gas-liquid two-phase flow； flow around bluff body； Strouhal number； repeatability

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0005—04

2015—11—11

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(50906061)

TH 814

A

1000—9787(2016)09—0005—04

李延岩(1990-)，男，河南焦作人，硕士研究生,主要研究方向为传感器技术与信号处理、流体参数检测与数值仿真。