矩形窄通道中氣液混合物超聲顆粒檢測實驗與分析

胡永攀 陶樂仁 黃理浩 鄭志皋 李慶普

（上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

矩形窄通道中氣液混合物超聲顆粒檢測實驗與分析

胡永攀 陶樂仁 黃理浩 鄭志皋 李慶普

（上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

本文以去離子水為工質，將超聲顆粒檢測系統應用于兩相流傳熱過程，利用超聲衰減譜法對垂直矩形窄通道中流動沸騰氣液兩相流進行了測量，通過理論模型和反演算法分別得到質量流量2.22 kg／（m2·s）、2.86 kg／（m2·s）和3.49 kg／（m2·s）下的超聲衰減譜及矩形窄通道出口處的氣泡尺寸分布和含氣率（干度）。實驗結果表明：一定質量流量下，隨著加熱功率的增大，同一超聲頻率下的超聲衰減系數增大，D50值增大，尺寸分布變寬；同一工況下，隨著質量流量的增大，D50值減小，尺寸分布高度增大，帶寬減小；超聲檢測系統測量的干度較理論值偏大，干度較小時，偏差較小，比較適用；干度增大，偏差增大，需要適當調整模型。

兩相流；超聲波；含氣率；超聲衰減譜；氣泡尺寸分布

工業技術的飛速發展使氣液兩相流的傳熱問題在化工、石油、核能、動力等領域受到高度關注。兩相流體混合物在窄通道內流動，尤其是處于升膜蒸發時，氣相顆粒的粒徑及氣相所占百分比對工業應用的影響極大。超聲波具有穿透能力強，可實現非接觸測量的特點，非常適合實時在線測量，其較寬頻帶范圍可測量納米至毫米級顆粒［1-2］，因此，蘇明旭等［3］引入超聲衰減譜法測量兩相流顆粒的粒徑分布及含氣率大小。在以往的研究工作基礎上［1-2，4］，利用近年來發展起來的 Mcclements D J［5-6］模型，結合聲散射模型 BLBL模型［7-8］，初步開展氣液兩相流的氣體顆粒粒徑分布及含氣率研究，為將來優化超聲顆粒檢測模型及氣液兩相流機制的研究打下基礎。

本文在前人設計的豎直矩形窄通道實驗平臺［9］的基礎上，采用超聲顆粒檢測系統，通過超聲衰減譜，反演得出矩形窄通道出口的顆粒（顆粒為生成的氣泡）粒徑分布和出口含氣率（干度），為將來進一步的深入研究以及氣液分離器的設計提供新的思路。

1 理論模型和反演算法

1.1 M cclements＆BLBL模型

Mcclements D J等［5-6］研究了一些兩相介質中的聲波動情況，認為熱傳導和黏性機制在實際情況中非常重要。在經典的ECAH模型［10-11］系數An的序列中，呼劍等［12］認為散射系數的前兩項A0和A1起主導作用，可用復波數簡化計算公式：

式中：β=ω／（cs（ω））+jαs（ω），為氣液兩相流中的復波數；k為連續介質中的波數；φ為氣泡的體積濃度即含氣率；ω為角頻率；αs和cs分別為聲衰減系數和聲速，m／s；j為虛數單位；R為氣泡的尺寸大小。

BLBL（Bouguer-Lambert-Beer-Law）模型從純散射效應角度描述不同含氣率的氣液兩相流中的消聲效應。從氣液兩相流中無限薄層的聲強度平衡出發，得到含氣率的表達式：

式中：Kext為消聲效率；σ為顆粒尺寸系數，σ= ωR／c；c為連續相聲速，m／s。

1.2 反演算法

通過理論模型構建核矩陣M，代入實測衰減譜信息B構造一個線性方程組M×X=B。在Ferri F等［13］提出的迭代算法修正式的基礎上，許亞敏等［14］提出了具有如下迭代形式的Chahine算法：

式中：Mi，j為歸一化的權重因子；X為待求解的氣泡尺寸分布。

2 實驗裝置與計算

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，共包括兩部分：氣液兩相流循環系統和超聲測量系統。有關氣液兩相流循環系統的詳細介紹可參見文獻［15］。超聲波檢測系統主要由超聲換能器、超聲脈沖發射接收儀、數據采集卡及計算機組成。

矩形窄通道置于材料為H69，長750 mm，寬250 mm，厚6 mm的銅板和鋼化玻璃之間，采用6 mm厚的硅膠墊片隔開，形成長度L=720 mm（與加熱長度一致）、寬度W=250 mm（與加熱寬度一致）和深度H =3.5 mm的通道。為保證最大可能地降低損失，采用絕緣材料對整個窄通道外部保溫使其絕熱。

圖1 窄通道出口超聲檢測顆粒粒徑分布及含氣率實驗系統Fig.1 Particle size distribution by exit ultrasound detection and gas rate experiment system in the narrow channel

圖2所示為水浸式縱波超聲換能器。超聲換能器是用于產生和接收超聲的裝置，可實現聲能與電能之間的相互轉換。當超聲換能器處于發射狀態時，電能向機械能轉化，與換能器相接觸的介質發生振動，向介質輻射聲波，實現機械能與聲能之間的轉化。當超聲換能器處于接收狀態時，過程正好相反，換能器先將聲能轉化成機械能，然后再轉化為電能。衡量超聲換能器的性能有多個指標。本文主要從工作頻率、帶寬和靈敏度三個方面選擇購買了美國泛美公司V系列寬帶水浸式超聲換能器，其頻率范圍寬為1～50 MHz，配置了2.5 MHz的橫波探頭。

圖2 水浸式縱波超聲換能器Fig.2 Immersion longitudinal ultrasonic transducer

圖3所示為超聲波脈沖發射接收儀。超聲換能器發射和接收超聲波需要一定的激勵方式，其中常見激勵方式有連續波，猝發波以及脈沖波。為了更好對高頻寬帶超聲波信號進行檢測，選擇與換能器相配套的便攜式5073PR超聲脈沖發生接收儀，其手動控制的超聲脈沖發生器接收器既可用于常規應用，又可用于高頻應用。

圖4所示為NI-USB5133數據采集卡，可以滿足高頻、大數據量超聲信號的采集需要，其最高采樣頻率可達100 MS／s，8位A／D，50 MHz帶寬，1 MΩ輸入阻抗，能夠實現實時信號不間斷采集和存儲。

圖3 5073PR超聲脈沖發射接收儀Fig.3 5073PR ultrasonic pu lse receiver

圖4 NI-USB5133數據采集卡Fig.4 NI-USB5133 data acquisition card

超聲檢測實驗段主要由前后兩塊石英玻璃、不銹鋼框架及固定裝置組成。實驗段截面尺寸為20 mm ×3 mm，長90 mm。利用一對超聲換能器、超聲波脈沖發射接收儀、數據采集卡及計算機獲得窄通道出口兩相流氣泡尺寸分布及含氣率。表1所示為實驗參數范圍。

表1 實驗參數范圍Tab.1 The range of experimental parameters

2.2 干度計算

超聲檢測實驗時，矩形窄通道出口流體處于氣液兩相區，理論干度按下式計算：

式中：hfg為水的蒸發焓值（不同壓力下略有不同），kJ／kg；q為熱流密度，W／m2；G為質量流量，kg／（m2·s）；hin為窄通道進口壓力、溫度下的焓值，kJ／kg；hsat為窄通道出口壓力下的飽和液體焓值，kJ／kg。

3 實驗結果與討論

3.1 實驗參數范圍

實驗通過改變質量流量調節加熱功率，使系統達到設定工況，待穩定運行一段時間，并且相關參數在長時間內無波動后記錄實驗數據。通過聲學手冊查得聲速，通過NIST查得窄通道出口溫度T2和出口壓力p2狀態時氣相和液相的密度、聲速、比熱容和導熱系數等參數。同時，為了便于比較不同質量流量之間的氣泡分布尺寸，定義了單位質量加熱量 qG（kJ／kg）：

表2列出由不同加熱功率Q，窄通道出口溫度T2，出口絕對壓力p2，氣液兩相流質量流量G和單位質量加熱量qG構成的實驗工況（主要根據出口的溫度和壓力判別）。

3.2 超聲衰減譜

超聲波檢測系統采用一發一收的形式，利用高速采集卡采集超聲脈沖發射接收儀發射及接收超聲波穿過介質衰減后的超聲波信號，送入計算機進行處理后分析超聲波信號。采用快速傅立葉變換（FFT）處理采集的信號，獲得某一頻率上的幅值。聲衰減系數利用純水中所測量的幅值A0與含有顆粒（氣泡）形成懸濁液后測量的幅值A1計算獲得，L1為實驗測量段的厚度。由下式［16-17］計算聲衰減系數α（Np／m）：

表2 各工況的具體參數Tab.2 The specific parameters of each condition

根據不同質量流量、不同加熱功率得到數據，對衰減曲線做一階指數衰減擬合，繪制如圖5（a）～（c）所示曲線。可以看出，某一質量流量下，同一超聲頻率，隨著加熱功率的增大，超聲衰減系數也增大，高頻部分的聲衰減更大。

圖5 不同熱流密度下的超聲衰減譜Fig.5 Ultrasonic attenuation spectrum under different flow flux

原因在于，某一質量流量下，功率較低時，流體可能發生過冷沸騰，氣泡顆粒產生的數量較少，主流流體是過冷的，氣泡的產生會隨著主流流體冷凝，最后消失，因而聲波的耗散減少，聲衰減信號較小；而隨著加熱功率的增大，流體達到飽和狀態，氣泡的產生、聚合也更加容易，因而單位體積內的顆粒數目增加，增強了聲波的耗散，聲衰減系數增大；另一方面氣泡在振動形變的過程中，當氣泡的振動頻率與超聲波的頻率相等時，氣泡處于共振狀態，此時氣泡聲波衰減最強。氣泡半徑的概率分布決定了衰減系數，當超聲波的頻率與氣泡最大概率半徑所對應的固有頻率相等時，聲波在其中傳播的聲衰減系數最大。

圖6 不同熱流密度下的氣泡尺寸分布Fig.6 Bubble size distribution under different flow flux

3.3 氣泡尺寸分布及含氣率（干度）

依據理論模型和反演算法求解氣泡的尺寸分布，圖6（a）～（c）所示分別為在質量流量2.22 kg／（m2·s），2.86 kg／（m2·s）和3.49 kg／（m2·s）時氣泡尺寸分布隨加熱功率的變化曲線。圖示說明：在某一質量流量下，隨著加熱功率的增大，氣泡的尺寸分布向較大尺寸方向（自左向右）偏移；隨著加熱功率的增加，氣泡尺寸分布的趨勢基本不變，但氣泡尺寸分布變得更寬。這是因為，隨著加熱功率的增加，流體從過冷沸騰-氣泡流-合并氣泡流-攪拌流等轉變，氣泡的產生、聚合加強，氣泡的尺寸也隨之增大。由于氣泡間的聚合增強，大氣泡所占比例增大，因而氣泡尺寸自左向右偏移。

圖7（a）～（c）所示分別為工況1，工況3和工況5下質量流量不同時的氣泡尺寸分布。可以看出，在相同工況下，增大質量流量，氣泡尺寸分布高度增大，帶寬減小，尺寸分布向較小尺寸方向偏移。

圖7 不同工況下的氣泡尺寸分布Fig.7 Bubble size distribution under different operating conditions

根據表2中數據，質量流量越大，其單位質量的加熱量qG越小，過冷液體量增多，抑制氣泡的產生，減弱氣泡之間的聚合，所以占比例最多氣泡的顆粒尺寸減小，氣泡的產生、流型的轉變不僅受質量流量的影響，也與加熱量大小有關。

表3所示為超聲法測量得到的氣泡中位徑（此直徑以下的氣泡占總氣泡的50%）D50。可知在一定流量下，隨著加熱功率的增加，D50增大，在同一工況下，隨著流量的增大，D50減小。

表3 超聲法測量的氣泡中位徑D50（mm）Tab.3 Bubble D50（mm）by ultrasonic particle detection system

通過公式（2）得到在測量區域內的氣液兩相流的含氣率，并與理論干度進行對比，結果如圖8所示。

由圖8可知，利用超聲檢測系統測量的干度值較理論值偏大，但趨勢隨著熱流密度逐漸增大與理論值一致；熱流密度較小時，偏差較小，增大熱流密度，偏差亦增大。這可能是由于：1）相對測量段尺寸，超聲檢測探頭較小，未能將整個實驗測量段覆蓋，導致所測得的干度值較理論值偏高；2）由于首次在制冷系統中使用超聲顆粒檢測裝置，而超聲檢測模型在氣泡-合并氣泡流階段應用較廣，干度較小時，測量值與理論計算值偏差相對較小，較為適用，但干度增大，偏差亦增大，此時須適當調整模型。

4 結論

本文引入超聲顆粒檢測系統測量窄通道出口粒徑分布及含氣率，將聲學與氣液兩相流相結合，可以得出以下結論：

1）在一定質量流量下，隨著加熱功率的增大，同一超聲頻率下的超聲衰減系數增大，高頻部分的聲衰減更大；氣泡尺寸分布變寬，且向較大尺寸方向偏移，D50值增大，但氣泡尺寸分布的趨勢線基本不變。

2）同一工況下，隨著質量流量的增大，氣泡尺寸分布高度增大，帶寬減小，尺寸分布向較小尺寸方向偏移，D50值減小。

3）超聲檢測系統測量的干度較理論值偏大，熱流密度較小時，偏差較小，增大熱流密度，偏差亦增大，但趨勢隨著熱流密度的增大與理論值一致。

圖8 超聲檢測值與理論干度比較Fig.8 The comparison of ultrasonic testing value and theory of dry degree

本文受上海市重點實驗室項目 （1N-15-301-101）資助。（The project was supported by the Key Laboratory Project of Shanghai（No.1N-15-301-101）.）

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About the corresponding author

Hu Yongpan，male，Ph.D.，candidate，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，+86 18301929227，E-mail：huyongpan8＠126.com. Research fields：the research of heat transfer performance in narrow rectangular channel.

Experiment and Analysis for Utrasonic Particle Detection of Liquid-vapor Mixture in Narrow Rectangular Channel

Hu Yongpan Tao Leren Huang Lihao Zheng Zhigao Li Qingpu

（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

With deionized water as working fluid，ultrasonic particle detection system is applied to two-phase heat transfer process.The ultrasonic attenuation spectrum method is used to measure flow boiling in vertical narrow rectangular channel.The ultrasonic attenuation spectrum，the bubble size distribution and export rate of gas（dryness）under different mass flux of 2.22 kg／（m2·s），2.86 kg／（m2·s）and 3.49 kg／（m2·s）in the narrow rectangular are obtained by theoretical model and inversion algorithm，respectively.The experiment results show that when the mass flow rate is constant，with an increase of the heating power，ultrasonic attenuation coefficient will increase under the same ultrasonic frequency，the value of D50 will increase and the distribution of dimensions will broaden.Under the same operating conditions，with an increase of the mass flow rate，the value of D50 will decrease and the distribution of dimensions will heighten and narrow.The degree of dryness measured by ultrasonic testing system is higher than the theoretical value，and the measurement are closed to the theoretical values when the dryness is small.The error increases when the dryness increases and the theoretical model should be adjusted in this case.

two-phase flow；ultrasonic；dryness；ultrasonic attenuation spectrum；bubble size distribution

TB553；TK124

A

0253-4339（2016）06-0085-07

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.085

簡介

胡永攀，男，博士研究生，上海理工大學能源與動力工程學院，18301929227，E-mail：huyongpan8＠126.com。研究方向：矩形微通道內換熱性能研究。

2016年12月19日