豎直窄矩形流道液泛研究

李希川，孫中寧

(哈爾濱工程大學核科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著高新技術的突飛猛進，高效換熱設備日趨緊湊和微小型化，相應的流動通道也由較大口徑(d≥10 mm)轉為窄小甚至微小尺度［1-2］.最新的反應堆研究與設計也趨于采用更加緊密的布置.如，日本原子能研究所在其進行的新型反應堆研究設計中，將燃料元件間的間隙由3 mm減至1 mm［3］;東京大學等在進行先進壓水堆研究時也幾乎采用了相同的燃料元件間隙［4］.由于氣液兩相流逆向流動特性受流道幾何尺寸的影響較大，而現有的計算關系式都是在較大流道尺寸條件下得到的，已不能滿足新的技術發展的需要，因此，為了保證相關高新技術的開發及新一代反應堆的研制能夠順利進行，必須盡早開展窄細流道內氣液兩相流逆向流動特性的研究.各國學者相繼在這一領域開展了諸多研究，如，Larson利用長度為1 550 mm、間隙尺寸為1.1 mm和2.2 mm的非等寬度矩形流道，研究了流道間隙、水溫、壁面濕潤性、氣流引入位置等因素對頂部液泛特性的影響.結果表明，壁面濕潤性和氣流引入位置的影響強烈，而流道間隙、水溫、氣流的驅動方式和入口水位的影響很小［5］.Osakabe等人以沸水反應堆為應用背景，用空氣和水為工質對間隙為2.3、5.3、8.3、12.3 mm 的矩形流道進行了頂部液泛特性實驗，詳細地研究了窄矩形通道的頂部液泛現象［6］.但已有的文獻還缺少對窄小流道內液泛過程及特征點進行研究.本文對間隙為5 mm，長度為1 000 mm的流道內液泛問題進行了研究，重點研究了液泛過程及液泛特征點.

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗方法

實驗是在常溫常壓下的空氣-水回路上進行的，如圖1所示.為了便于觀察實驗現象，實驗段采用透明有機玻璃制成的窄矩形流道，間隙為5 mm，寬度為50 mm，實驗段有效長度為1 000 mm(即注水器中心線距實驗段入口距離)，流道采用直角入口.流道壓差及桶壓分別采用精度0.25級的差壓變送器與0.2級壓力變送器測量;水流量用稱重法確定;氣體流量采用Promass83FM質量流量計確定.實驗時工質流程如下:水由水泵從水箱中抽出后從注水器注入流道，在重力作用下流經實驗段、底桶、量液桶，最后返回水箱完成循環;空氣則由空氣壓縮機壓縮后存入貯氣罐，通過油水分離器凈化后進入質量流量計確定流量，流經底桶進入流道，經氣水分離器進行氣-水分離后排向大氣完成循環.

圖1 實驗回路簡圖Schematic diagram of experimental flow loop

1.2 實驗步驟

實驗時，首先將液相流量調至預設值，然后開啟空氣閥門，將空氣調至一較小流量，待流動穩定后采集實驗數據.保持液相流量不變，逐步增大氣相流量，并在每一穩定工況點記錄相關實驗數據，直至出現液泛起始點、完全攜帶點、流向反轉點、液泛消失點.改變液相流量，重復上述實驗過程，完成全部實驗.

液泛過程中特征點研究分為2種情況:

1)確定某一水流量后逐漸增加氣體流量.這一試驗主要觀察流道內流型變化，測量流道壓差及水流出量變化，確定液泛起始點及完全攜帶點.

2)確定某一水流量后逐漸減少氣體流量.這一試驗過程主要確定流向反轉點及液泛消失點.

2 實驗結果與分析

Wallis的研究結果表明，在豎直圓管內兩相逆向流動情況下，液泛開始點出現時無因次量J*g和J*1有如下關系:

式中:J*g和J*l可以根據氣、液相的流量和特征尺寸算出.其中 m和 c為常數，一般需要通過實驗確定.

式中:Jg為液相折算速度，m/s;Jl為氣相折算速度，m/s;ρg和ρl分別為氣相和液相的密度，kg/m3;D是特征尺寸，m;g為重力加速度，m/s2.而

式中:Qg為氣相體積流量，m3/h;Ql為液相體積流量，m3/h;A是管道截面積，m2.

2.1 實驗現象及壓差變化分析

在實驗過程中由于水流量的不同會出現不同的實驗現象，根據實驗現象的差異，將其分為2種典型實驗情況進行介紹.

情況1當水流量小于150 L/h時(文中以40 L/h為例)，實驗過程中出現的實驗現象如圖2所示，流道壓差變化如圖3所示.

圖2 小流量時實驗過程中的實驗現象Fig.2 Still photographs at a water flow of 40 L/h

圖3 小流量時流道內壓差，液體流出量與氣體流量關系Fig.3 Variation of the pressure gradients and the down flow rate with air flow rate at a water flow rate of 40 L/h

實驗開始時，由于流道內氣體流量小，氣液界面相對速度小，剪切力亦小，水沿流道壁面自上向下成均勻液膜平穩流動，如圖2(a)所示，這時流道內壓差較小，幾乎為零，如圖3中AB段所示.隨氣體流量的增加，在重力、剪切力和表面張力的共同作用下，流道氣體入口處出現液膜增厚和明顯的擾動，流道內波動較大，液體在氣體的攜帶下開始向上運動(如圖2(b)).當氣體流量增加至C點時，流道內的流型由原來的環狀流變成波狀流和塞狀流(如圖2(c)).此時，有水被攜帶出流道，判斷此時發生液泛，C點即為液泛起始點.液泛發生后，由于流道內有水被攜帶出去，流道內流型又變為環狀流，但很短的時間內即又變為波狀流和塞狀流，所以流道內壓差短暫減小后繼續上升(如圖3中CDE).此實驗現象說明窄矩形流道內液泛機理符合波動機理.進一步增加氣體流量，在氣體入口處形成大量的漩渦，流道逐漸變為攪混流(如圖2(d))，由于流道內攪混劇烈，壓差逐漸增大，到E點時達到極值，此時，流道內水完全被攜帶向上運動，雖然有水由注水口沿管壁向下流，但并沒有流出流道，判定此時發生完全攜帶，E點即為完全攜帶點.繼續增加氣體流量，被攜帶出的水量逐漸增加，流道內液膜開始變薄(如圖2(e))，流道內壓差開始下降，如圖3中EF段所示.最后，流道內液體完全被吹干，流道變為單相流，所以壓差隨氣體流量增加開始增大.

情況2當水流量大于150 L/h時(以水流量200 L/h為例).實驗現象如圖4所示，流道內壓差變化如圖5所示.

實驗時，由于水流量較大，開始流道即被水封住，氣體被封在底桶內無法通過流道，導致底桶內壓力升高，當壓力升到足以克服流道內水柱靜壓時，氣流就會沖開液柱，將大量的水攜帶出流道，這時底桶內壓力下降，水流又會充滿流道向下流動，重復上述過程，本實驗把這種現象稱為水封現象.開始時，由于流道被水封住，所以流道內壓差很大，氣流沖開水柱將大量水攜帶出后壓差急速下降，流道內壓差變化如圖5中AB段所示.隨著氣體流量的增加流道內液膜變薄，波浪幅值減小，實驗現象如圖4(a)所示，實驗段壓差逐漸變大，如圖5中BC段所示.繼續增加氣體流量，流道內形成較穩定的環狀流，液膜隨氣體流量增大逐漸變薄如圖4(b).進一步增加氣體流量，流道內流型由環狀流變為波狀流，同時氣液界面上相對速度增大，剪切力亦增大，導致很多向上翻滾的液波形成如圖4(c).隨氣體流量繼續增加，氣體入口處形成大量的漩渦和攪混流，將流道封住如圖4(d)所示，流道內壓差快速增大，至圖5中D點，此時，雖然有水沿管壁流下，但并不流出流道，判斷此點為完全攜帶點.繼續增加氣體流量，流道內積水越來越少，流型變得逐漸平穩，如圖4(e)所示，氣液界面擾動對壓差影響不斷減弱，如圖5中DE段所示.最后，流道內液體完全被吹干，流道變為單相流，所以壓差隨氣體流量增加開始增大.

圖4 大流量時實驗過程中的實驗現象Fig.4 Still photographs at a water flow of 200 L/h

圖5 大流量時流道內壓差，液體流出量與氣體流量關系圖Fig.5 Variation of the pressure gradients and the down flow rate with air flow rate at a water flow rate of 200 L/h

2.2 液泛起始點研究

傳統通道內液泛起始點判斷一般以壓差急劇變化為依據，如文獻［7］.但在豎直窄矩形流道內由于液泛發生時流道內壓差雖然壓差增大，但并非突變，所以僅用壓差變化不能準確判斷液泛起始點.本文液泛起始點的確定是利用液體流出量隨氣體流量變化存在突變這一特性及實驗段壓差變化共同進行判斷.具體做法如下:首先確定一個水流量，逐漸緩慢開大氣體流量，觀察實驗段壓差變化，當壓差發生波動時，要縮短氣體流量調節步長，增加穩定時間，直到有水從實驗段被攜帶出去，記錄此實驗點.取該攜帶點和前一個實驗點兩者氣體流量的平均值作為此水流量下液泛起始點的氣體流量，認為此點即為液泛起始點.

圖6為平切口條件下窄矩形流道特泛起始點曲線，擬合得到的經驗關聯式為

在本實驗中，m=0.624 4，c=0.972 75.因此，豎直窄矩形通道的液泛起始點符合Wallis類型的關聯式.

圖6 窄矩形流道液泛起始點曲線Fig.6 Onset of flooding in narrow rectangular channels

2.3 完全攜帶點及流向反轉點研究

當實驗段的氣體流量足夠高時，雖有液滴沿管壁向下流下但并不流出流道，此為完全攜帶點.逐漸減少氣流量，液體開始從注水器處慢慢向下運動，此時出現流向反轉，出現這種現象時對應的特征點為流向反轉點.完全攜帶點與水流量大小、入口條件無關，只與氣體流量有關.流向反轉點與氣體流量、液體流量及入口條件均無關，只與壁面干燥程度有關，如圖7所示.實驗段濕潤時，在完全攜帶后稍微減小氣體流量即可實現流向反轉過程，但若持續通氣，使實驗段干燥一段時間，再減少氣體流量，此時所對應的流向反轉點要遠遠小于壁面潤濕時所對應的氣體流量.這是因為這2個過程主要取決于氣體在實驗段內的流動速度及液體的表面張力，與氣體入口的阻力大小并無關系.

圖7 不同液體流量流向反轉點Fig.7 Reversal of the flow direction with different water flow

2.4 窄矩形流道與傳統流道液泛過程比較

圖8、9分別為不同水流量時傳統流道內壓差隨氣體流量的變化曲線.比較圖3與圖8，圖5與圖9可以發現，窄矩形流道與傳統流道的相同點是壓差變化趨勢基本相同，水流量大時都存在二次液泛現象.不同點在于:傳統流道發生液泛時，流道內壓差發生突變，且為極大值，而在窄矩形流道內，發生液泛時，雖然流道內壓差增大，但并沒有發生突變，液泛起始點并非壓差極大值，窄矩形流道內壓差極大值為流道發生完全攜帶點.這也是不用壓差變化來判斷窄矩形流道內液泛起始點的原因.

圖8 較小水流量Fig.8 Lower water flow rate

圖9 較大水流量Fig.9 Higher water flow rate

3 結論

本文的實驗結果表明:

1)窄矩形流道內液泛起始點符合Wallis關系式.與傳統流道液泛起始點以壓差突變進行判斷不同，窄矩形流道內液泛起始點的判斷以有水被攜帶出流道為標志.

2)窄矩形流道與傳統流道的壓差變化趨勢基本相同，不同點在于傳統流道發生液泛時，流道內壓差極大值出現在液泛起始點，而窄矩形流道出現在完全攜帶點.

3)完全攜帶點與水流量大小、實驗段入口條件無關，只與氣體流量大小有關.

4)流向反轉點與實驗段壁面干燥程度有關，與水流量大小及氣體入口條件無關.

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