氣液兩相流氣泡測量技術研究

張建國,謝貴久，董文平，王躍社

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所,湖南長沙410111；2.中國航天員科研訓練中心,北京100094；3.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049)

氣液兩相流氣泡測量技術研究

張建國1,謝貴久1，董文平2，王躍社3

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所,湖南長沙410111；2.中國航天員科研訓練中心,北京100094；3.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049)

氣液兩相流監測是載人航天發展需解決的關鍵技術之一。液相中氣泡大小及累計體積是氣液兩相流測量領域的主要計量參數。基于光學檢測技術實現對氣液兩相流水中氣泡大小及體積的測量，通過與高速攝像機與快關閥法測量對比，實驗結果表明，光學檢測技術能夠實現氣液兩相流在微重力環境下常見流型（泡狀流、彈狀流）的氣泡大小及體積測量，滿足工程應用需要。

氣液兩相流；氣泡；光學檢測；泡狀流；彈狀流

近年來，隨著我國“神舟”及“嫦娥”探月工程的成功開展和飛速發展，長期載人空間站的研制已列入國家計劃。越來越多的空間技術設施（如航天器主動熱控系統、動力與能源供應系統、流體管理系統及航天員生命保障系統等）中存在氣液兩相流現象[1]。

電解制氧系統是環控生保系統的重要組成部分，在該系統中，作為反應物的水經過凈化，在電解槽、換熱器、水箱之間循環。由于電解質膜承受缺水的能力較差，同時由于傳遞熱量的需要，投入循環的水遠多于反應當量，在這一過程中必須有水氣分離裝置將反應產生的水/氣混和物進行分離，通過這個裝置，一方面分離出反應物中的氣體，提供成員呼吸和其它需要；另一方面，分離出的水將重新投入循環。在此過程中，電解產生的氧氣如果帶有液滴排入艙內，會給航天員生命及設備帶來安全隱患，分離的水如果氣泡含量過高，影響電解制氧裝置的正常工作。國際空間站上，多次出現電解制氧裝置由于氣泡堵塞造成安全隱患，因此，對氣液兩相流氣泡大小及體積的檢測及監測對于電解制氧裝置的安全運行十分重要[2]。

氣液兩相流具有不同的流動速度，且兩相間的界面效應，導致產生泡狀流、彈狀流、環狀流等不同流型[3]。如何實現不同流型條件下的氣液兩相流氣泡大小及流量測量是目前國內外研究的難點及熱點。目前，研究較多的測量方法多為涉及新技術[4][5]：如快關閥法、射線法、電學法、高速攝像法、層析成像法等，這些檢測技術和方法大都處于實驗室研究階段，工程應用型的儀表還比較少。

針對微重力環境下氣液兩相流氣泡大小及體積檢測的需要，本系統采用光學檢測技術，通過對采集數據處理分析，識別不同流型條件下的氣泡大小及體積測量，試驗結果表明該測量方法有效，測量精度能夠滿足應用需要。

1 光學檢測工作原理

光學檢測的理論基礎為比爾-朗伯（Beer-Lambert）定律，利用水對特定紅外光具有強的吸收這一性質為依據。即紅外輻射通過測試管路后的光強 I與入射光強I0之比與吸收物質（H2O）的濃度C、厚度d及消光系數K之間有如下關系：

由式(1)可知，透射光強隨著待測物質濃度C的增大而減少，以此來檢測待測物質的濃度分布。散射、折射、反射等因素帶來的測量誤差可在消光系數K中進行修正。圖1為紅外檢測原理圖。

圖1 紅外光檢測原理圖

2 測試裝置系統

氣液兩相流測試裝置采用對射式光路，實現不同直徑大小的氣泡對紅外光衰減量的檢測，測量管道的內徑為4 mm。紅外波段選用波長1 400 nm的紅外發射接收裝置。測試系統的信號輸出為0.5～4.5 V。電壓0.5 V為測量管路全水狀態，4.5 V為測量管路全氣狀態。裝置與測量管路采用卡套式連接。

3 試驗測試過程

氣液兩相流信號源發生裝置系統如圖2所示，主要由水箱、過濾器、水泵、高壓氮氣瓶、氣體質量流量控制器、液體質量流量計、混相器、管段、閥門、壓力傳感器和溫度傳感器等組成。

氣泡直徑計量方法采用高速攝像機能準確捕捉氣泡的輪廓，通過分析軟件計算出氣泡直徑。高速攝像機選用奧林巴斯的i-SPEED TR。氣泡體積計量采用快關閥法，通過對標定段兩端的兩個閥門同時進行關斷，經過氣液分離后便可求出兩閥 門間的平均體積含氣率。

圖2 氣液兩相流信號源發生裝置示意圖

4 試驗結果分析

4.1 泡狀流

氣液兩相流體中氣體流量較小時，氣泡以細小顆粒分散在液體中，容易產生泡狀流。試驗通過調節氣體、液體流量大小及氣液混合器直徑大小，產生了直徑為0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm、4 mm的單個氣泡，實驗測量不同直徑的氣泡置于測量通道中信號變化量，測量結果見表1。表1中不同氣泡直徑對應的信號輸出為采集信號的峰值平均值。

從表1中可知，隨著氣泡直徑的增大，忽略壁厚等因素影響，紅外光對水的吸收減少，對應輸出信號變大。圖3為氣泡直徑為1.0 mm對應的采集信號輸出結果。每一個脈沖信號對應一個氣泡。脈沖信號的峰值與氣泡直徑存在對應關系。

表1 不同氣泡直徑測試結果

圖4為連續狀態下，泡狀流氣泡的信號采集結果。

4.2 彈狀流

圖3 單個1.0 mm氣泡視頻圖及對應信號輸出圖

圖4 泡狀流視頻圖及對應信號輸出圖

采用如圖2所示裝置，氣體流量固定為100 mL/min，調節液體流量，當液體流量變化范圍在5～30 mL/min，產生如圖5(a)所示的彈狀流。

圖5 彈狀流及采集信號輸出示意圖

圖5（b）為彈狀流的數據采集輸出信號，高電平4.5 V對應全部氣泡時系統輸出，低電平0.5 V對應全部液態水時系統輸出。高電平采樣點數量多少代表氣柱的長度。

4.3 氣泡體積計算

氣液兩相流測量過程中，除了需要測量氣泡直徑大小，還需要對一段時間的累計氣泡體積計量?？紤]微重力環境下，氣液兩相流在流動過程中常見的二種流型（泡狀流、彈狀流）的氣泡體積計算模型。

泡狀流氣泡計算根據前面的信號分析結果：一個脈沖信號對應一個氣泡，氣泡直徑大小D與脈沖信號峰值X存在以下關系式：通過峰值判別，累計分析周期內氣泡個數，并近似氣泡為球形，根據式(2)計算每個氣泡的體積大小。

彈狀流氣泡直徑近似為測量管道內徑大小，為4 mm。并根據采集信號點數量計算氣泡長度。氣泡體積可根據氣泡截面積與長度的關系求得。表2為經上述步驟計算得到的氣泡體積模型測量與快關閥法得到的氣泡體積誤差結果對比。

表2 快關閥法與模型測量結果對比表

從表2中可以看出，快關閥法與本模型測量誤差范圍控制在20%以內，滿足工程應用需求。

5 結 論

項目將光學檢測技術應用于氣液兩相流的氣泡直徑及體積測量并進行相關試驗研究，得出以下結論：

（1）光學檢測對于氣液兩相流泡狀流、彈狀流具有較好的流型識別度，通過對采集數據分析，識別不同的流型。定性分析了不同流型下的信號輸出差異及對應機理原因。

（2）根據不同流型的采集信號輸出特定，建立不同流型條件下的氣泡體積計算模型，測量結果與快關閥法相比，測量誤差小于等于20%，基本達到國外先進水平。

目前檢測系統只針對微重力環境下常見的泡狀流、彈狀流兩種工況進行了分析測量，由于沒有成熟的理論支撐，氣液兩相流相間界面效應及相對速度研究比較復雜，各流型的動態信息更為豐富，檢測系統對氣液兩相流其他流型的氣泡測量精度有待進一步試驗及測試。

[1] 周文興，鄧一兵，周抗寒，等.氣液兩相流空隙率測量方法微重力環境應用研究[J].傳感器與微系統，2009，10(28)：16-19.

[2] Dale Cloud，Matthew Zarzycki.Development Status of the ISS Oxygen Generation Assembly and Key Components[C].Proceedings of the 32nd International Conference on Environmental Systems CD-ROM.2002，01-2269.

[3] 趙建福，解京昌，林海等.常重力和低重力條件下氣液兩相流實驗研究[J].中國科學(E輯)，2002，32(4)：491-495.

[4] Kawahara，Sadatomi，Nei.Experimental study on bubble velocity，void fraction and pressure drop for gas-liquid two-phase flow in a circular microchannel[J].Int.J.Heat Fluid Flow，2009，30(5)：831-841.

[5] Kariyasaki，Fukano.Fundamental data on the gas-liquid two-phase flow in minichannels[J].Int.J.Therm.Sci.，2007，46(6)：519-530.

The Research on Measuring Bubble of Gas-liquid Two Phase Flow

ZHANG Jianguo1,XIE Guijiu1,DONG Wenping2,WANG Yueshe3

(1.The 48th Research Institute of CETC,Changsha 410111,China；2.Institute of Space Medico-engineering,Beijing 100094,China；3.Xi'an jiaotong University State key laboratory of multiphase flow in power engineering,Xi'an 710049,China)

Gas-liquid two-phase flow monitoring is a key application for manned spaceflight development.Size and cumulative volume of the bubbles in the liquid phase is the primary measurement parameters.Based on optical detection techniques bubble size and volume measurements is achieved,contrast with high-speed cameras and quick closing valve measurement,the experimental results show that the optical detection technology enables two-phase flow in micro-gravity environment common flow patterns(bubble flow,slug flow)of the bubble size and volume measurements,meet the engineering application needs.

Gas-Liquid two phase-flow;Bubble;Optical detector;Bubble flow;Slug flow

TN606

：A

：1004-4507(2015)08-0037-05

2015-05-25