矩形截面螺旋通道气液两相流可视化研究与压降计算.pdf

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1、第42卷第5期化工机械625矩形截面螺旋通道气液两相流可视化研究与压降计算周云龙+李佳研(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要对水平放置的矩形截面螺旋通道内空气一水两相流动进行了实验研究：通过高速摄影仪对其内部的流动进行可视化研究，实验中观察到了柱塞状流、弹状流、分散泡状流、环状流；实验测量了通道内两相流动摩擦压降，并与Chisholm模型下的预测值进行比较，实验结果表明：流型很大程度上制约着矩形截面螺旋通道内两相摩擦阻力，采用分流型计算矩形截面螺旋通道摩擦压降的方法可以有效提高预测精度；Chisholm模型

2、适用于间歇流和环状流状态下的压降预测，对于分散泡状流状态下的压降预测偏差较大。关键词矩形截面螺旋通道空气一水两相流流型摩擦压降中图分类号TQ022．4文献标识码A文章编号0254—6094(2015)05-0625-06单螺杆膨胀机复杂三维矩形截面螺旋通道内多组分、多相流动结构是影响膨胀机效率的重要因素之一，而目前主要侧重于膨胀机的加工和性能研究_j，缺乏对其内部多相流动结构和相分布规律的研究，开展这方面的研究具有重要意义。目前，对于圆形截面螺旋通道内气(汽)水两相流动特性已有广泛的研究‘2。j，但对于其他截

3、面形状的螺旋通道，大部分还停留在数值研究阶段旧。，实验研究较少。而仅有的对于矩形截面螺旋通道的实验研究也多是针对单相流体所进行的流场结构和流动特性的研究，BolinderCJ和SundenB对正方形截面螺旋通道内层流流场进行了测量。7i。张丽等对低雷诺数下高宽比为3．5的矩形螺旋通道流场进行了实验测量，测量值与数值模拟值吻合较好。8。。马源等利用二维粒子图像测速仪(PIV)对矩形截面螺旋通道的5个横截面流场进行了实验测量，获得了不同雷诺数下，不同横截面的二次流瞬态流场和涡量场图像一1。但是，对矩形截面螺旋通道

4、内气液两相流型和摩擦压降的研究还未见报道。鉴于此，笔者通过实验的方法研究了单螺杆膨胀机内部矩形截面螺旋通道空气一水两相流的流型和摩擦压降，探究了流型对摩擦压降的影响规律，得出了适用于计算不同流型下摩擦压降的经验关系式。为寻求有效手段提高膨胀机效率，改善其性能提供必要的研究基础。1实验系统与装置通道由一个外壁带螺旋翅片的圆柱和一个外套管围成，为了实现可视化研究，材料采用有机玻璃，螺旋翅片由车刀车出，与外套管的配合公差小于1mm。外套管内径120mm、厚5mm，翅片高22mm，螺旋翅片厚度6ram，螺距110mm

5、。所围成的矩形截面的长、宽分别为24、22mm。通道当量直径为23mm，曲率为0．47，挠率为0．36，BolindercJ认为在2．5倍螺距处，流体流动已经充分发展¨⋯。因此为保证流动充分发展，本实验中，取有效直管段的长度为550mm，即5倍螺距。实验装置流程如图1所示。水和空气分别在离心式水泵和空气压缩机的动力推动下流经电磁流量计和热式气体质量流量计，经两相混合器充分混合后流人实验段，而后经旋风分离器分离，水流回水箱继续循环使用，空气排入大气中。空气$周云龙，男，1960年2月生，教授。吉林省吉林市，13

6、2012。626化工机械2015盆压缩机额定工作压力为0．8MPa，实验过程在常温下进行，压力参数范围为0．1～0．3MPa；空气的折算速度范围为0．2～20．0m／s；水的折算速度范围为0．04～2．70m／s。图1实验系统示意图实验所使用的高速摄影仪镜头水平放置并与实验段中轴线处于同一水平面上，拍摄实验段前侧的流动图像，其最大分辨率为1536×1024，最大帧频口f达到10000帧／s，可以十分清晰地拍摄到通道内的气液两相流型的变化。光源采用6400K色温的三基色照明，光亮稳定、均匀，无闪烁。使用差压变送

7、器采集机压差信号通过数据采集器输入计算机，实验选择相距2倍螺距的两个取压点采集压差信号，两点在同一水平线上，首个取压点距离进口2．5倍螺距。实验中采用的差压变送器在实验前使用电子手操器进行量程校准。2实验结果与分析2．1矩形截面螺旋通道两相流流型通过高速摄影仪观察了矩形截面螺旋通道内的流型。对实验拍得的图片进行整理分析后，笔者将矩形截面螺旋通道气、液两相流流型区分为4种：柱塞状流、弹状流、环状流和分散泡状流，并绘制了流型图。当气相与液相折算速度均较小时，观察到了柱塞状流，气相以长气泡状分散在连续的液相中，如图

8、2a所示；随着气相折算速度的增高，观察到了弹状流的存在，如图2b所示，大气泡呈现气弹状，其间伴有小气泡产生；随着气相折算速度的继续增高，管道内逐渐形成了环状流流型，气相在管内中心流动，形成气柱，液相趋于贴近壁面四周流动，如图2c所示；当液相折算速度增高到一定程度时，观察到了分散泡状流流型，如图2d，气相变成细微小气泡分散在连续的液相中。第42卷第5期化工机械627图2典型流型依据实验数据并借助观察所