矩形窄通道中气液混合物超声颗粒检测实验与分析

胡永攀 陶乐仁 黄理浩 郑志皋 李庆普

（上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093）

矩形窄通道中气液混合物超声颗粒检测实验与分析

胡永攀 陶乐仁 黄理浩 郑志皋 李庆普

（上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093）

本文以去离子水为工质，将超声颗粒检测系统应用于两相流传热过程，利用超声衰减谱法对垂直矩形窄通道中流动沸腾气液两相流进行了测量，通过理论模型和反演算法分别得到质量流量2.22 kg／（m2·s）、2.86 kg／（m2·s）和3.49 kg／（m2·s）下的超声衰减谱及矩形窄通道出口处的气泡尺寸分布和含气率（干度）。实验结果表明：一定质量流量下，随着加热功率的增大，同一超声频率下的超声衰减系数增大，D50值增大，尺寸分布变宽；同一工况下，随着质量流量的增大，D50值减小，尺寸分布高度增大，带宽减小；超声检测系统测量的干度较理论值偏大，干度较小时，偏差较小，比较适用；干度增大，偏差增大，需要适当调整模型。

两相流；超声波；含气率；超声衰减谱；气泡尺寸分布

工业技术的飞速发展使气液两相流的传热问题在化工、石油、核能、动力等领域受到高度关注。两相流体混合物在窄通道内流动，尤其是处于升膜蒸发时，气相颗粒的粒径及气相所占百分比对工业应用的影响极大。超声波具有穿透能力强，可实现非接触测量的特点，非常适合实时在线测量，其较宽频带范围可测量纳米至毫米级颗粒［1-2］，因此，苏明旭等［3］引入超声衰减谱法测量两相流颗粒的粒径分布及含气率大小。在以往的研究工作基础上［1-2，4］，利用近年来发展起来的 Mcclements D J［5-6］模型，结合声散射模型 BLBL模型［7-8］，初步开展气液两相流的气体颗粒粒径分布及含气率研究，为将来优化超声颗粒检测模型及气液两相流机制的研究打下基础。

本文在前人设计的竖直矩形窄通道实验平台［9］的基础上，采用超声颗粒检测系统，通过超声衰减谱，反演得出矩形窄通道出口的颗粒（颗粒为生成的气泡）粒径分布和出口含气率（干度），为将来进一步的深入研究以及气液分离器的设计提供新的思路。

1 理论模型和反演算法

1.1 M cclements＆BLBL模型

Mcclements D J等［5-6］研究了一些两相介质中的声波动情况，认为热传导和黏性机制在实际情况中非常重要。在经典的ECAH模型［10-11］系数An的序列中，呼剑等［12］认为散射系数的前两项A0和A1起主导作用，可用复波数简化计算公式：

式中：β=ω／（cs（ω））+jαs（ω），为气液两相流中的复波数；k为连续介质中的波数；φ为气泡的体积浓度即含气率；ω为角频率；αs和cs分别为声衰减系数和声速，m／s；j为虚数单位；R为气泡的尺寸大小。

BLBL（Bouguer-Lambert-Beer-Law）模型从纯散射效应角度描述不同含气率的气液两相流中的消声效应。从气液两相流中无限薄层的声强度平衡出发，得到含气率的表达式：

式中：Kext为消声效率；σ为颗粒尺寸系数，σ= ωR／c；c为连续相声速，m／s。

1.2 反演算法

通过理论模型构建核矩阵M，代入实测衰减谱信息B构造一个线性方程组M×X=B。在Ferri F等［13］提出的迭代算法修正式的基础上，许亚敏等［14］提出了具有如下迭代形式的Chahine算法：

式中：Mi，j为归一化的权重因子；X为待求解的气泡尺寸分布。

2 实验装置与计算

2.1 实验装置

实验装置如图1所示，共包括两部分：气液两相流循环系统和超声测量系统。有关气液两相流循环系统的详细介绍可参见文献［15］。超声波检测系统主要由超声换能器、超声脉冲发射接收仪、数据采集卡及计算机组成。

矩形窄通道置于材料为H69，长750 mm，宽250 mm，厚6 mm的铜板和钢化玻璃之间，采用6 mm厚的硅胶垫片隔开，形成长度L=720 mm（与加热长度一致）、宽度W=250 mm（与加热宽度一致）和深度H =3.5 mm的通道。为保证最大可能地降低损失，采用绝缘材料对整个窄通道外部保温使其绝热。

图1 窄通道出口超声检测颗粒粒径分布及含气率实验系统Fig.1 Particle size distribution by exit ultrasound detection and gas rate experiment system in the narrow channel

图2所示为水浸式纵波超声换能器。超声换能器是用于产生和接收超声的装置，可实现声能与电能之间的相互转换。当超声换能器处于发射状态时，电能向机械能转化，与换能器相接触的介质发生振动，向介质辐射声波，实现机械能与声能之间的转化。当超声换能器处于接收状态时，过程正好相反，换能器先将声能转化成机械能，然后再转化为电能。衡量超声换能器的性能有多个指标。本文主要从工作频率、带宽和灵敏度三个方面选择购买了美国泛美公司V系列宽带水浸式超声换能器，其频率范围宽为1～50 MHz，配置了2.5 MHz的横波探头。

图2 水浸式纵波超声换能器Fig.2 Immersion longitudinal ultrasonic transducer

图3所示为超声波脉冲发射接收仪。超声换能器发射和接收超声波需要一定的激励方式，其中常见激励方式有连续波，猝发波以及脉冲波。为了更好对高频宽带超声波信号进行检测，选择与换能器相配套的便携式5073PR超声脉冲发生接收仪，其手动控制的超声脉冲发生器接收器既可用于常规应用，又可用于高频应用。

图4所示为NI-USB5133数据采集卡，可以满足高频、大数据量超声信号的采集需要，其最高采样频率可达100 MS／s，8位A／D，50 MHz带宽，1 MΩ输入阻抗，能够实现实时信号不间断采集和存储。

图3 5073PR超声脉冲发射接收仪Fig.3 5073PR ultrasonic pu lse receiver

图4 NI-USB5133数据采集卡Fig.4 NI-USB5133 data acquisition card

超声检测实验段主要由前后两块石英玻璃、不锈钢框架及固定装置组成。实验段截面尺寸为20 mm ×3 mm，长90 mm。利用一对超声换能器、超声波脉冲发射接收仪、数据采集卡及计算机获得窄通道出口两相流气泡尺寸分布及含气率。表1所示为实验参数范围。

表1 实验参数范围Tab.1 The range of experimental parameters

2.2 干度计算

超声检测实验时，矩形窄通道出口流体处于气液两相区，理论干度按下式计算：

式中：hfg为水的蒸发焓值（不同压力下略有不同），kJ／kg；q为热流密度，W／m2；G为质量流量，kg／（m2·s）；hin为窄通道进口压力、温度下的焓值，kJ／kg；hsat为窄通道出口压力下的饱和液体焓值，kJ／kg。

3 实验结果与讨论

3.1 实验参数范围

实验通过改变质量流量调节加热功率，使系统达到设定工况，待稳定运行一段时间，并且相关参数在长时间内无波动后记录实验数据。通过声学手册查得声速，通过NIST查得窄通道出口温度T2和出口压力p2状态时气相和液相的密度、声速、比热容和导热系数等参数。同时，为了便于比较不同质量流量之间的气泡分布尺寸，定义了单位质量加热量 qG（kJ／kg）：

表2列出由不同加热功率Q，窄通道出口温度T2，出口绝对压力p2，气液两相流质量流量G和单位质量加热量qG构成的实验工况（主要根据出口的温度和压力判别）。

3.2 超声衰减谱

超声波检测系统采用一发一收的形式，利用高速采集卡采集超声脉冲发射接收仪发射及接收超声波穿过介质衰减后的超声波信号，送入计算机进行处理后分析超声波信号。采用快速傅立叶变换（FFT）处理采集的信号，获得某一频率上的幅值。声衰减系数利用纯水中所测量的幅值A0与含有颗粒（气泡）形成悬浊液后测量的幅值A1计算获得，L1为实验测量段的厚度。由下式［16-17］计算声衰减系数α（Np／m）：

表2 各工况的具体参数Tab.2 The specific parameters of each condition

根据不同质量流量、不同加热功率得到数据，对衰减曲线做一阶指数衰减拟合，绘制如图5（a）～（c）所示曲线。可以看出，某一质量流量下，同一超声频率，随着加热功率的增大，超声衰减系数也增大，高频部分的声衰减更大。

图5 不同热流密度下的超声衰减谱Fig.5 Ultrasonic attenuation spectrum under different flow flux

原因在于，某一质量流量下，功率较低时，流体可能发生过冷沸腾，气泡颗粒产生的数量较少，主流流体是过冷的，气泡的产生会随着主流流体冷凝，最后消失，因而声波的耗散减少，声衰减信号较小；而随着加热功率的增大，流体达到饱和状态，气泡的产生、聚合也更加容易，因而单位体积内的颗粒数目增加，增强了声波的耗散，声衰减系数增大；另一方面气泡在振动形变的过程中，当气泡的振动频率与超声波的频率相等时，气泡处于共振状态，此时气泡声波衰减最强。气泡半径的概率分布决定了衰减系数，当超声波的频率与气泡最大概率半径所对应的固有频率相等时，声波在其中传播的声衰减系数最大。

图6 不同热流密度下的气泡尺寸分布Fig.6 Bubble size distribution under different flow flux

3.3 气泡尺寸分布及含气率（干度）

依据理论模型和反演算法求解气泡的尺寸分布，图6（a）～（c）所示分别为在质量流量2.22 kg／（m2·s），2.86 kg／（m2·s）和3.49 kg／（m2·s）时气泡尺寸分布随加热功率的变化曲线。图示说明：在某一质量流量下，随着加热功率的增大，气泡的尺寸分布向较大尺寸方向（自左向右）偏移；随着加热功率的增加，气泡尺寸分布的趋势基本不变，但气泡尺寸分布变得更宽。这是因为，随着加热功率的增加，流体从过冷沸腾-气泡流-合并气泡流-搅拌流等转变，气泡的产生、聚合加强，气泡的尺寸也随之增大。由于气泡间的聚合增强，大气泡所占比例增大，因而气泡尺寸自左向右偏移。

图7（a）～（c）所示分别为工况1，工况3和工况5下质量流量不同时的气泡尺寸分布。可以看出，在相同工况下，增大质量流量，气泡尺寸分布高度增大，带宽减小，尺寸分布向较小尺寸方向偏移。

图7 不同工况下的气泡尺寸分布Fig.7 Bubble size distribution under different operating conditions

根据表2中数据，质量流量越大，其单位质量的加热量qG越小，过冷液体量增多，抑制气泡的产生，减弱气泡之间的聚合，所以占比例最多气泡的颗粒尺寸减小，气泡的产生、流型的转变不仅受质量流量的影响，也与加热量大小有关。

表3所示为超声法测量得到的气泡中位径（此直径以下的气泡占总气泡的50%）D50。可知在一定流量下，随着加热功率的增加，D50增大，在同一工况下，随着流量的增大，D50减小。

表3 超声法测量的气泡中位径D50（mm）Tab.3 Bubble D50（mm）by ultrasonic particle detection system

通过公式（2）得到在测量区域内的气液两相流的含气率，并与理论干度进行对比，结果如图8所示。

由图8可知，利用超声检测系统测量的干度值较理论值偏大，但趋势随着热流密度逐渐增大与理论值一致；热流密度较小时，偏差较小，增大热流密度，偏差亦增大。这可能是由于：1）相对测量段尺寸，超声检测探头较小，未能将整个实验测量段覆盖，导致所测得的干度值较理论值偏高；2）由于首次在制冷系统中使用超声颗粒检测装置，而超声检测模型在气泡-合并气泡流阶段应用较广，干度较小时，测量值与理论计算值偏差相对较小，较为适用，但干度增大，偏差亦增大，此时须适当调整模型。

4 结论

本文引入超声颗粒检测系统测量窄通道出口粒径分布及含气率，将声学与气液两相流相结合，可以得出以下结论：

1）在一定质量流量下，随着加热功率的增大，同一超声频率下的超声衰减系数增大，高频部分的声衰减更大；气泡尺寸分布变宽，且向较大尺寸方向偏移，D50值增大，但气泡尺寸分布的趋势线基本不变。

2）同一工况下，随着质量流量的增大，气泡尺寸分布高度增大，带宽减小，尺寸分布向较小尺寸方向偏移，D50值减小。

3）超声检测系统测量的干度较理论值偏大，热流密度较小时，偏差较小，增大热流密度，偏差亦增大，但趋势随着热流密度的增大与理论值一致。

图8 超声检测值与理论干度比较Fig.8 The comparison of ultrasonic testing value and theory of dry degree

本文受上海市重点实验室项目 （1N-15-301-101）资助。（The project was supported by the Key Laboratory Project of Shanghai（No.1N-15-301-101）.）

［1］ 苏明旭，蔡小舒.超细颗粒悬浊液中声衰减和声速的数值分析研究［J］.声学学报，2002（3）：218-222.（SU Mingxu，CAI Xiaoshu.The numerical study of acoustical attenuation and velocityin the suspension of superfine particles［J］.Acta Acustica，2002（3）：218-222.）

［2］ 苏明旭，蔡小舒，徐峰，等.超声衰减法测量悬浊液中颗粒粒度和浓度［J］.声学学报，2004（5）：440-444. （SU Mingxu，CAI Xiaoshu，XU Feng，et al.Measurement of particle size and concentration in suspensions by ultrasonic attenuation［J］.Acta Acustica，2004（5）：440-444.）

［3］ 苏明旭，蔡小舒，董黎丽，等.超声衰减和速度谱测量亚微米乳液的粒径［J］.工程热物理学报，2009，30 （11）：1875-1878.（SU Mingxu，CAI Xiaoshu，DONG Lili，et al.Droplet sizing of submicron emulsions by ultrasonic attenuation and velocity spectra［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2009，30（11）：1875-1878.）

［4］ Dong L L，Su M X，Xue M H，et al.Measurement of particle size distribution and volume concentration based on ultrasonic attenuation spectrum in fat emulsion［J］.AIP Conference Proceedings，2007，914（1）：654-660.

［5］ Mcclements D J，Povey M J W.Scattering of ultrasound by emulsions［J］.Journal of Physics D Applied Physics，1989，22（1）：38-47.

［6］ Mcclements D J.Comparison of multiple scattering theories with experimental measurements in emulsions［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1992，91（2）：849-853.

［7］ Riebel D I U，Löffler D I F.The Fundamentals of particle size analysis by means of ultrasonic spectrometry［J］.Particle＆Particle Systems Characterization，1989，6（1／4）：135-143.

［8］ Riebel U.Method of and an apparatus for ultrasonic measuring of the solids concentration and particle size distribution in a suspension：US4706509［P］.1987-11-17.

［9］ 郑志皋，陶乐仁，黄理浩，等.竖直矩形可视化流动沸腾换热实验台的设计及初步研究［J］.制冷学报，2013，34（1）：61-64.（ZHENG Zhigao，TAO Leren，HUANG Lihao，et al.Design and preliminary study on vertical rectangle visualization of flow boiling heat transfer experiment platform［J］.Journal of Refrigeration，2013，34（1）：61-64.）

［10］Epstein P S，Carhart R R.The absorption of sound in suspensions and emulsions.I.water fog in air［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1953，25（3）：553-565.

［11］Allegra J R，Hawley S A.Attenuation of sound in suspensions and emulsions：theory and experiments［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1970，51（5B）：1545-1564.

［12］呼剑，苏明旭，蔡小舒，等.高频宽带超声衰减谱表征纳米颗粒粒度的方法［J］.化工学报，2010，61（11）：2985-2991.（HU Jian，SU Mingxu，CAI Xiaoshu，et al. Broad-band high-frequency ultrasonic attenuation spectrum method for measuring nanoparticle size distribution［J］. CIESC Journal，2010，61（11）：2985-2991.）

［13］Ferri F，Bassini A，Paganini E.Modified version of the Chahine algorithm to invert spectral extinction data for particle sizing［J］.Applied Optics，1995，34（25）：5829-5839.

［14］许亚敏，于彬，刘蕾，等.基于二阶滤波器的消光起伏谱颗粒测量结果［J］.光学学报，2006，26（10）：1495-1500.（XU Yamin，YU Bin，LIU Lei，et al.Measurements on particle by transmission fluctuation spectrometry using second order filter［J］.Acta Optica Sinica，2006，26（10）：1495-1500.）［15］刘效德，陶乐仁，郑志皋，等.垂直矩形窄通道换热特性实验研究［J］.制冷学报，2014，35（1）：14-19.（LIU Xiaode，TAO Leren，ZHENG Zhigao，et al.Experimental study for heat transfer characteristics of vertical rectangular narrow channels［J］.Journal of Refrigeration，2014，35 （1）：14-19.）

［16］田坦，樊世斌，关浩.大动态范围水声脉冲信号的精确幅度测量及应答［J］.声学学报，1995（1）：42-48. （TIAN Tan，FAN Shibin，GUAN Hao.A method to measure the amplitude exactly and respond to an underwater sound pulse with wide dynamic range［J］.Acta Acustica，1995（1）：42-48.）

［17］Mcclements D J.Ultrasonic measurements in particle size analysis［M］.Chichester，England：John Wiley and Sons，Encyclopedia of Analytical Chemistry，2000.

About the corresponding author

Hu Yongpan，male，Ph.D.，candidate，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，+86 18301929227，E-mail：huyongpan8＠126.com. Research fields：the research of heat transfer performance in narrow rectangular channel.

Experiment and Analysis for Utrasonic Particle Detection of Liquid-vapor Mixture in Narrow Rectangular Channel

Hu Yongpan Tao Leren Huang Lihao Zheng Zhigao Li Qingpu

（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

With deionized water as working fluid，ultrasonic particle detection system is applied to two-phase heat transfer process.The ultrasonic attenuation spectrum method is used to measure flow boiling in vertical narrow rectangular channel.The ultrasonic attenuation spectrum，the bubble size distribution and export rate of gas（dryness）under different mass flux of 2.22 kg／（m2·s），2.86 kg／（m2·s）and 3.49 kg／（m2·s）in the narrow rectangular are obtained by theoretical model and inversion algorithm，respectively.The experiment results show that when the mass flow rate is constant，with an increase of the heating power，ultrasonic attenuation coefficient will increase under the same ultrasonic frequency，the value of D50 will increase and the distribution of dimensions will broaden.Under the same operating conditions，with an increase of the mass flow rate，the value of D50 will decrease and the distribution of dimensions will heighten and narrow.The degree of dryness measured by ultrasonic testing system is higher than the theoretical value，and the measurement are closed to the theoretical values when the dryness is small.The error increases when the dryness increases and the theoretical model should be adjusted in this case.

two-phase flow；ultrasonic；dryness；ultrasonic attenuation spectrum；bubble size distribution

TB553；TK124

A

0253-4339（2016）06-0085-07

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.085

简介

胡永攀，男，博士研究生，上海理工大学能源与动力工程学院，18301929227，E-mail：huyongpan8＠126.com。研究方向：矩形微通道内换热性能研究。

2016年12月19日