氣液兩相流在集箱中的分配特性

摘要：集箱中的氣液兩相流的分配廣泛存在于能源、動力及化工等領域，特別在電站鍋爐中，集箱中兩相流分配的均勻性與熱偏差有關，直接影響到鍋爐的安全運行。作者通過對這類研究特別是其實驗研究的學習，綜合評述了國內外兩相流體在并聯管組中分配方面的實驗研究工作，對各個流體參數及幾何因素對于氣液兩相流在集箱內的分配特性的影響進行了總結。

關鍵詞：集箱 兩相流 分配特性

0 引言

集箱廣泛應用于能源、動力及化工等領域，用于匯集或者分配汽水工質，而這些領域中集箱中的工質往往不是單相的而是汽-水兩相流體。比如在超臨界鍋爐中，集箱的作用顯得十分重要。超臨界鍋爐爐膛由下部的螺旋管圈水冷壁和上部的垂直管水冷壁組成，上、下部之間用中間集箱聯接。當鍋爐在亞臨界壓力以下帶部分負荷運行時，通過中間集箱的是汽-水兩相流體。如果兩相流體在中間集箱內發生汽水分離，則通過中間集箱垂直水冷壁管的流量就會有較大偏差，直接影響電站鍋爐的安全運行。所以對氣液兩相流體在集箱中的分配情況進行研究是十分必要的。

汽液兩相流在并聯管組中的流動比較復雜，各國的學者已經取得了重要的研究成果。作者通過對這類研究特別是其實驗研究的學習，包括其實驗系統及方法和實驗結果，即各個影響因素對于氣液兩相流在集箱內的分配是如何影響的，以及各自的影響程度的學習，對這些研究成果進行了總結。

1 實驗系統及方法

1.1試驗裝置或回路

由于蒸汽與水一起流動時會有相變現象，使實際實驗操作較為困難，因此學者們大多以空氣- 水為實驗介質對這方面問題進行研究。這些試驗回路大多主要由水回路部分、氣路部分、試驗段及測量系統等部分組成。

1.2集箱分配特性的評價

我們知道集箱的主要作用是對流體進行分配，通常我們希望這種分配是均勻的。而兩相流的分配比單項要復雜得多。我們除了要考慮單相所考慮的流量分配外，還需要考慮相分配，在兩相流分配的研究中，相分離現象的研究十分重要。所以對兩相流的分配特性，我們往往從流量分配和相分配兩方面進行評價，常用的評價指標有以下幾個：

整體評價指標：①最大流量偏差系數；②最大干度偏差系數；③流量標準偏差系數；④干度標準偏差系數。以上前兩個系數是用流量或干度的最大偏差與其平均值的比較，它們都是用于對分配性能的整體評價。而后兩個系數則是用流量或干度的標準差與其平均值的比較，各有優劣。

局部評價指標：①流量不均系數；②干度不均系數；③液相流比系數；④氣相流比系數。這四個系數能顯示分配的均勻性。

2試驗結果及分析

影響分配集箱分配特性的因素很多，其中主要的因素是工作壓力、工質溫度、進口干度、質量流速、流型、引入方式、其他結構及尺寸。這里將這些影響因素分為兩類：流動參數（包括工作壓力、工質溫度、進口干度、質量流速、流型）及幾何因素（包括引入方式、其他結構及尺寸）。

2.1 流動參數對集箱分配特性的影響

2.1.1 工作壓力對集箱分配特性的影響

分配集箱工作壓力對并聯支管之間的干度的分配有一定的影響。隨著分配集箱工作壓力的提高，并聯支管之間的干度的分配偏差有所減小。主要原因是，隨著分配集箱工作壓力的增加，分配集箱內汽-液兩相之間的密度差減少，汽-液兩相之間的物性差異減小。所以，由于汽-液兩相之間密度的差異而使汽-液兩相分離的現象減弱，分配集箱并聯支管之間的干度的偏差相對減小，即相分配均勻性增加。

2.1.2 工質溫度對集箱分配特性的影響

工質溫度對集箱分配特性的影響在不同的溫度范圍內存在很大差異。在工質溫度小于350℃時，工質溫度對分配集箱垂直水冷壁管內流量分配的不均勻性的影響很小；但在擬臨界點溫度384℃（壓力p=25MPa時）附近流量分配的不均勻性有一明顯的增加，出現這種現象的原因是超臨界壓力下水在擬臨界點之前，其物性隨溫度的變化較小，但在擬臨界點附近，水的物性發生了顯著的變化。可以預見，隨著壓力的升高，這種階躍增加現象變得不明顯，這是因為在超臨界壓力下，隨著超臨界壓力的增加，擬臨界點處物性的變化幅度也會減少。

2.1.3 進口干度對集箱分配特性的影響

當分配集箱入口干度較小時，并聯支管之間的干度偏差較小，干度偏差隨著集箱入口干度從0到1變化，其變化趨勢是先增大后減小。因為，當分配集箱入口干度很小時，分配集箱內的汽-液兩相流為泡狀流或汽塞狀流型，該流型下汽-液兩相混合較為均勻，汽液兩相分離的趨勢相對較弱，所以，并聯支管之間的干度分配的偏差較小，即相分配不嚴重。隨著分配集箱入口干度的不斷增加，集箱內的汽-液兩相流的流型轉變為分層流和波狀分層流；在該流型下，汽-液兩相容易分離，所以，在靠近集箱入口處并聯支管的干度較高，造成并聯支管之間有較大的干度偏差。當分配集箱入口干度增加到一定值后，汽-液兩相流在分配集箱內為環狀流或霧狀流，汽-液兩相在分配集箱內混合較為均勻；所以，在這種情況下，并聯支管之間的干度的分配偏差隨著分配集箱入口干度的增加而減小。

以上是從流型方面分析的，從另一個角度分析，一些文獻中指出：入口干度的增加會使氣相的分配趨于均勻而液相分配趨于不均勻。這兩種影響的疊加便導致了干度偏差會有一個最大值。這個最大值的位置由于所處工況的不同，在各個文獻中也有所差異，但這一先增后減的趨勢卻都是一樣的。

也正是由于以上分析的疊加效應，入口干度對流量分配的影響較復雜，沒有明顯的變化規律。

2.1.4 質量流速對集箱分配特性的影響

隨著分配集箱引入管質量流速的增加，分配集箱并聯支管間干度偏差減小。這是因為在一定壓力和入口干度條件下，隨著分配集箱引入管質量流速的增加，汽-液兩相混合物在分配集箱內的動能增加，增強了汽-液兩相流在集箱內的湍動，促進了汽-液兩相流的混合，使汽-液兩相流在分配集箱內相分離現象減弱。故并聯支管間的干度偏差隨著集箱引入管汽-液兩相流質量流速的增加而減小。

在工作壓力和入口干度一定的情況下，當進入分配集箱的質量流速較小時，并聯支管間的流量偏差較大；隨著質量流速的增加，并聯支管間的流量偏差減小。因為隨著汽-液兩相流質量流速的增加，汽-液兩相流在分配集箱的混合增強，汽-液兩相混合物相分配的均勻性增加，流量分配的均勻性也增強。

2.1.5 兩相流流型對集箱分配特性的影響

上文中我們發現，當我們對一些參數（質量流量和干度）對流量分配的影響進行原因分析時，我們還會對其流型進行說明或判別。所以也有的文獻中把質量流量和干度都叫做流型因素。

當氣液兩相流質量流量很小時，分配聯箱中的流型是分層流動。這種流型氣液兩相分開流動，以至于氣相更容易進入離引入管較近的分支管，產生相分配及流量分配的不均勻。隨著流量的增大，分配聯箱入口流型轉變為波狀流，即兩相界面上出現涌動波，液面上方的液滴增多，形成氣流夾帶液滴分配均勻性得到些許改善。當氣液兩相流流量進一步提高時，分配聯箱入口液相波動變得激烈，從而形成間歇狀流動。這時的情況變得復雜，當分配聯箱頂部流過過氣相時，離引入管近的支管的進口處會隨之流入氣體；當分配聯箱頂部流過液相時，這些進口處會隨之流入液相。從而使這些支管也發生間歇狀流動。當兩相流量進一步提高，分配聯箱入口會發生環狀流，引起距分配聯箱入口近的管中產生環狀流，隨著流量的變大，環狀流型會向后面的管推進，使各管漸次達到環狀流。

2.2幾何因素對集箱分配特性的影響

2.2.1 引入方式對集箱分配特性的影響

并聯分支管集箱按引入管與集箱軸向連接方式分為沿軸向和徑向引入兩種。徑向引入又分為徑向單入口引入和徑向雙入口引入。

當徑向雙入口對稱引入時，左右側入口對分支管流量分配影響基本一致。可以將雙入口聯箱作為兩個單入口聯箱考慮。當徑向兩個入口條件不同時，不能作為單入口聯箱考慮，即還要考慮雙入口相互影響對兩相流量分配的影響。

當兩引入管中的氣液兩相流量存在偏差時，引入管之間流量偏差不大時，引入管流量偏差對引出管中干度分配性能影響不大。

對于單獨由于兩引入管水量或氣量分配不均勻而產生的影響。引入管水量分配的不平衡會造成分支管水相分配情況改變，但氣相分配的情況改變較小。而當改變入口氣量時，水相和氣相分支管的分配均變化很大。

2.2.2 裝設笛形管對徑向引入集箱分配特性的影響

笛形管顧名思義，它上面會由一些出口小孔，形狀與笛子相似，它套在集箱內（如圖1所示），氣液兩相流由引入管先進入笛形管，通過笛形管進入集箱，再進行分配。

圖1 單入口笛形管

加裝笛形管均流器能夠改善氣液兩相流在集箱內的分配情況，具體笛形管的出口位置和尺寸會有怎樣的影響。研究表明：改變笛形管出口位置而不改變其尺寸，對分配特性影響不大。減小笛形管出口小孔尺寸，會在一定程度上提高分配特性。因為工質經過出口小孔時的節流作用，使兩相流產生強烈的擾動，一定程度上加大了氣液兩相的混合，抑制了其相分離，從而改善其分配特性。

3 結論

流體參數（包括工作壓力、工質溫度、進口干度、質量流速、流型）對集箱內兩相流的分配特性都會產生影響，但各因素影響程度不同。在遠離臨界壓力區，工作壓力對并聯支管之間干度分配的影響程度比汽-液兩相的質量流速的影響要小。而在近臨界區干度、流量分配不均勻度則受壓力主導影響。

為了加強擾動防止相分離而提高分配均勻性而改變幾何結構的措施（笛形管或加速管）都會以犧牲動能作為代價。

參考文獻：

[1]杜超.氣液兩相流中顆粒運動學建模的研究[J].中小企業管理與科技，2011（05）.

[2]黃飛，張西民，郭烈錦.氣液兩相流中壓力波傳播的實驗研究[J].自然科學進展，2005（04）.

[3]程卓明，周云龍.分配聯箱氣液兩相流流型對垂直并聯管分配特性的影響[J].熱能動力工程，1999（04）.