管束间气液两相流动特性的研究

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管束间气液两相流动特性的研究

摘要： 综述了气液两相流体流动特性的最新进展。对先前研究气液两相流体向上、向下流过顺列和错列管束时的含气率、流型和压降特性进行了归纳和分析，详细介绍了基于实验结果建立的流型图、含气率和摩擦压降的半经验公式以及各种预测方法的差异。

关键词：管束  气液两相流  流型  压降  含气率

在动力、能源和石油化工等领域中广泛使用着各类管壳式换热器。大约有50％以上的管壳式换热器涉及壳程气液两相流动和传热。这类形式的换热器构成了锅炉、蒸发器、冷凝器及核反应堆冷却器等换热设备的主体, 在各自行业中占有举足轻重的地位。因此, 对管壳式换热器管束间气液两相流动特性的研究具有重大的经济效益和社会效益。

换热器的换热特性是一个复杂的气液两相流动和传热相互作用的过程，而驱动静压力与加速压降、摩擦压降之间的平衡决定其流动结构[1]。目前国内外的研究工作主要集中在空气--水混合物向上或向下流过顺列、错列管束时的流型图，含气率预测和摩擦压降方面，且近十年以来对管束流动特性的研究较少，大部分是以空气和水的混合物为两相流动介质，质量流速范围在30--1 000kg／(m2．s)，对质量流速分布在5—30 kg／(m2·s)制冷系统研究则很少。

1.气液两相流动的流型

对于单相流体，曾把流动分为层流和湍流。对于气液两相流动，当然也需作这样的区分。但对于气液两相流动来说，更重要的是要区分气、液两相在流动中互相之间分布的状况。气液两相流动中气、液两相互相之间的分布状况称为气液两相流动的流型 [2] 。

气液两相流动的流型对其流动及传热特性都有很大的影响，所以如何确定流型一直是气液两相流动研究中的一个重要课题。许多研究人员试图用局部区域的流动参数来确定该处两相流动的流型，但至今未取得成熟的结果。其原因是影响流型的因素太复杂．除去流体力学的参数外，还有热力学参数的影响。特别是一些不易确定的因素：如气相形成的方式方法，介质中的杂质成分等都会影响流型的变化。此外，受热与不受热的流型也不相同。受热流道中，两相介质中存在径向温度梯度，热力学和流体力学的平衡不断地破坏和建立，致使有些流型来不及建立，有些流型则会提前出现[2]。

近几十年来，人们做了大量的研究工作，用有限的局部流动参数来确定流型的范围及其分界，根据对流动机理的分析和试验提出了许多用来确定流型分界的流型图[2]。

Grant[3] 等在卧式折流板壳管式换热器模型上对空气-水混合物垂直、水平流动时的流型分布进行了可视化研究。实验段为39 根φ19mm 的管子叉排, 间距管径比1.25。该研究得到了在不同气相和液相条件下的雾状流、泡状流、间歇流、分层-雾状流和分层流, 并绘制了流型图( 图1) 。

Pettigraw[4] 等将该图的坐标进行了转换, 发现当含气率为0. 9 时发生泡状流到间歇流的转变。此图的局限性是应用范围较窄, 其最大流速与最小流速之比对液相和气相分别是10 和20。

Kondo & Nakajima[5] 使用高速摄影机对热虹吸再沸器中空气-水混合物垂直流过等边三角形叉排水平管束的情况进行可视化研究, 对不同间距管径比( 1.41、1.28 和1.08) 研究了管排数的影响, 发现存在泡状流、弹状流、乳沫状流等流型, 并用气泡尺寸分布频率定量确定流型, 得到的结论是流型仅受空气流量以及管间距的影响, 而与水流量无关。由于流速范围小[ G < 5 kg/ ( m2#s) ] ,因此适用范围有限。

           图1 气液两相流过管束时的流型图（图片无法上传）

     Chan & Shoukri[6]观察了R113 池沸腾条件下的流型, 管束为φ19.05mm 的电加热管长方形顺排, 间距23. 8mm x 31. 75mm。发现两相混合物的整体形状与管束至自由表面的距离有关。马卫民[7]对空气-水混合物在圆柱形壳体换热器模型中冲刷水平、垂直管束的流动进行可视化观察, 正方形顺排管束由49 根外径为21mm 的塑料灰管组成,间距32mm, 得到光滑分层流、波动分层流、细泡状流和间歇状流等4 种流型。

Ulbrich& Mewes[8]采用高速摄影机对空气-水混合物垂直掠过壳侧水平管束的流动进行观察,实验段为φ20mm 的5x10 管束成正方形顺排, 间距为30mm。发现存在泡状流、间歇流、弥散流、间歇-弥散流及环状-弥散流等流型, 并作出通用流型图( 图2) 。

              图2 通用流型图（图片无法上传）

该流型图的特点是适用范围较大( 最大流速与最小流速之比对液相和气相分别是400 和125)以及同实验数据符合程度好。另外, 作者使用两相混合物的压降作为定量判断流型的特征参数,得到了泡状流、间歇流、弥散流下混合物压降随时间变化的曲线。杨小琼[9]等以空气-柴油为介质,对壳径为151mm 的TEMA-F 型换热器模型中双圆缺形纵向折流板垂直、水平放置的情况进行研究,管束为φ7mm 的管子进行叉排, 管间距为9.4mm。做出了相应的流型图, 并提出用Fr 数、Ku 数、Taitei 准则、Eotvos 准则、Re 数等分别关联各个流型转变方程, 上述方程的最大偏差为14.6% 。

综上所述, 前人采用直接观察、照相及摄影等方法研究了气液两相冲刷管束的流动, 做出了若干流型图并分析了流型转变的机理,但研究尚不充分。各位学者得到的流型种类各不相同, 依赖于各自的实验段结构尺寸和流动参数, 没有较为统一的看法。尤其在流型判别方面研究工作较少, 仅有两位学者分别提出用气泡特性或混合物压降来作为流型判别的特性参数。各种影响流型图形式的因素还需要进行进一步的研究, 包括流动的初始情况, 管束前后的流动, 管束的几何尺寸( 管径、间距、管排数、管束排列方式及管排方向等) 等[10]。

2. 含气率

含气率表征了两相流动过程中气相的空间分布特性，对确定流型和其他参数有重要作用。由表1、2可以看出，对含气率的研究主要集中在一定的质量流速范围内使用各种测量手段进行含气率的测量，并利用提出的实验关联式与各种理论模型计算结果比较。图3是在两种流速下的几种含气率随干度的变化曲线，由图3可以看出，通过相似方法测量的含气率结果相似，特别是在大流速条件下。在低质量流速时含气率实验值接近均相模型预测值。均相模型假设气液两相间不存在滑差，而假设的有效性取决于气液两相的混合程度。高质量流速和低千度时，含气率值接近均相模型预测值，此时气液两相很好的混合，相问速度差小；低质量流速时，浮力对相间速度差的影响非常明显。

                         表1含气率方面的研究[11] （图片无法上传）

含气率参数测量方面，如辐射线技术、激光多普勒技术、超声技术、光纤技术、流动成像技术和电容层析成像技术已经在气液两相流参数检测领域有所应用，但是这些方法测量的数据多为单点、定常或时均值，不能测量整个流动断面上的瞬时含气率分布数值，王红一和董峰[12]采用高速摄影法分别从气泡体积和气泡受力两含方面对气液两相流上升气泡的体积进行了计算，气泡体积法计算结果波动大、误差大，受力分析法计算结果稳定、偏差小，但是受力分析过程较复杂，计算量大。周云龙等用高速摄影法实现了对气液两相流体管内容积含气率的在线检测，检测值和真实值比较误差在15％以内，具有较高的测量精度。但是这些研究主要基于理论研究，应用于实际工程还有一定的距离。

                表2几种含气率模型的计算表达式[11] （图片无法上传）

         图3 不同质量流速下几种含气率与干度关系曲线[11] （图片无法上传）

迄今，提出的实验关联式都是适应于特定的流动条件和管束结构，适用范围窄。较为统一的是，均相模型的预测值高于其他模型，偏差随流速减小呈增大趋势，而漂移模型的偏差最小。此外，管束布置方式、结构尺寸、管排数、质量流速和两相工质对含气率的影响研究较少，缺乏规律性的认识，需进一步加强这些方面的研究。

3. 压降

在管束间两相流动摩擦压降研究方面, 早期的工作由于缺乏含气率的实验数据, 因此研究者使用管内两相流动模型或均相模型来估计压降。由于分相模型能更好地揭示两相流动的规律, 越来越多的学者使用分相模型来计算摩擦压降, 最为常见的是用Martinelli 参数Xtt来关联两相摩擦因子, 表3 示出了几种计算摩擦因子的实验关联式。从表3 中可以看出, 前人得到的两相摩擦因子分别与流型、质量流速、流动区域以及管束几何尺寸等有关, 在其实验条件范围内同实验数据吻合程度较好。但这些研究远未达到令人满意的程度, 各种因素对压降的影响研究尚不充分。例如在间距管径之比对摩擦压降的影响方面, 仅有Dowlati[13]等发现当A< 0. 2 及A> 0. 8 时, 流动分别接近于纯液相和纯气相的情况, 此时在较大间距下的摩擦压降小于较小间距下的摩擦压降; 当0. 2< A< 0. 8 时, 较大间距下的摩擦压降反而大于较小间距下的摩擦压降( 图4) , 原因可能是较大间距时充分发展的尾流掠过管子导致摩擦压降的增加。此结论需经进一步的实验验证。 又如在压降同流型的关系方面, 仅有Chisholm[14]研究了两相流水平横掠管束时在流型转变过程中的压降, 建立了能预测从分层流或泡状流向块状流转变过程中压降的模型。由于实验数据的缺乏, 人们不可能对各种因素的影响有深刻的认识, 因此研究各种管束排列方式、管束几何尺寸、管排数和质量流速等因素的影响, 并分析压降同流型及流型转变的关系, 仍是未来工作的重要方面。

       表3 几种计算压降的关联式极其适用条件（图片无法上传）

                   图4  P/D值对两相摩擦压降的影响（图片无法上传）

4 总结

综合前人的研究成果可以看出, 人们对管束间气液两相流动特性的研究仍不够全面深入细致, 对现象的机理分析甚少。实验方面，主要研究了流型、含气率分布以及压降等特性，测量手段多样，观察流型使用目测、照相及高速摄像等方法，含气率测量采用快关阀门法、电导探针、光纤探针以及密度仪法，压降可以采用各种差压变送器测量，僵研究成果不理想，实验数据少，缺乏有规律的统一性认识；在理论研究方面，特别是对流动机理的认识较管内研究少，这仍归咎于实验数据的匮乏．由于流型识别、含气率、压降关联式以及流场等实验数据少，缺少整体测量参数的方法，导致数学模型不健全、欠准确，阻碍了对流动特性机理的分析。未来的工作重点应有助于整体准确地测量实验数据，建立适当准确的数学模型，得到合理的计算结果和方法，进而深入了解流动机理；在研究对象方面，主要是两相介质(水或制冷剂)以一定的流速水平或垂直掠过不同尺寸和排列方式的管柬或换热器，管束大多为外径不等的管子，管径与管问距之比s／D在1．0～2．0之间，所得实验结果均有一定范围、外推性差，在对管子尺寸变化、流动初始情况及流场等的研究很少，应进行进一步的研究。总之，对管束间气液两相流动特性的研究仍缺乏系统、可靠的结论，现有的成果还不能满足工业发展的需求，还有待于进一步的研究。

参考文献

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[14]Chisholm D.Two-phase hor izontal crossflow over tube tanks. AICHE Symp. Ser. , 1989. 60~ 65

石油化工学院  化工过程机械  吴艳萍  122080706009