水平管內多孔板后的氣液兩相流型可視化實驗

彭杰偉，馬有福,，吳恒亮，呂俊復，劉媛，彭安，焦乾峰

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水平管內多孔板后的氣液兩相流型可視化實驗

彭杰偉1，馬有福1,3，吳恒亮2，呂俊復3，劉媛2，彭安2，焦乾峰1

(1上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093；2中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海200090；3清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

多孔板后是否形成均勻分散的泡狀流流型是影響多孔板廢氣吸收裝置吸收效果的關鍵因素。以空氣和水作為兩相介質，對氣液兩相混合物在水平管內流經多孔板后形成的流型進行實驗。通過孔徑分別為2、3、4、5 mm的4只多孔板在內徑98.5 mm水平有機玻璃管內的可視化流動及高速攝像，研究了孔徑大小、氣相流量變化及液相流量變化對多孔板后流型的影響規律。實驗結果表明：水平管內插入多孔板后，分層/塞狀流轉變邊界向液相流量增大方向推移，塞狀/泡狀流轉變邊界向液相流量減小方向推移；隨氣相流量減小或液相流量增大，多孔板后流型趨于形成泡狀流；孔徑大小對多孔板后流型具有重要影響，減小孔徑使塞狀/泡狀流轉變邊界移向更大氣相流量和更小液相流量，即形成泡狀流的兩相流量范圍增大；隨孔徑減小，孔板后流型趨于由分層流直接過渡至泡狀流，塞狀流趨于消失。為保證多孔板吸收裝置的良好流型和吸收效果，建議多孔板孔徑不大于3 mm。

氣液兩相流；氣泡；孔板；流動；流型；可視化實驗

引 言

對水平管內氣液兩相流動流型已有較為成熟的認識，如Baker[1]、Mandhane[2]以及Weisman流型圖[3]等，已在工程設計中得到廣泛應用。流型識別主要是通過可視化觀察和圖像分析，也有基于壓差波動和含氣率波動的實驗方法[4-5]。影響流型的參數有很多，如氣液兩相流量、相含率、管徑及入口形狀等[6]，各因素對流型轉變影響復雜，需進行更多深入研究。近期對管內流型的研究主要包括管子橫截面尺度大小對管內流型轉變邊界的影響[7-9]，水平管內油氣兩相流流型轉變機理與預測模型[10-14]，傾斜管、U形彎管和螺旋管內氣液兩相流流型與轉變特性[15-19]以及螺旋管內油氣水三相流[20]和油水兩相流流型[21]。

近年來，出于強化氣體吸收、防止傳熱惡化等需求，開始關注通過某種措施對管內流型進行改變和控制。王樹立等[22]實驗研究了水平管內布置旋轉葉輪時的氣液兩相流型，指出隨著葉輪角度增大或者葉片面積減小流型轉換邊界均向氣量增大的方向推移。Milan等[23]對垂直管入口分別布置球式混合器和同軸噴嘴的管內氣液兩相下降流動流型進行了實驗研究，Qiao等[24]也比較了3種入口結構對垂直管內下降流動流型的影響，均得出入口結構對管內流型轉換具有重要影響的結論。Farhad 等[25]研究了管道旋轉對垂直管內下降流型的影響，表明增大管道轉速會使塞狀流和環狀流的轉換邊界向氣相流量減小的方向偏移。Annamalai 等[26]通過電阻層析成像法對水平管內槽式孔板后氣液兩相流動的均勻性進行了實驗，指出在槽式孔板下游1.5～2.5倍管內徑處兩相流均勻性最佳，建議在此處設置流量測量裝置。Li 等[27]和Jiang 等[28]實驗研究了壓縮式制冷系統中的氣泡吸收過程，比較了氣相噴嘴孔徑對垂直上升管內流型及氣泡吸收的影響，指出當噴嘴孔徑為2.8 mm時管內可觀察到混狀流、段塞流和泡狀流3種流型，噴嘴孔徑減小至2.0 mm時段塞流極少出現，噴嘴孔徑減小至1.0 mm時段塞流完全消失即混狀流直接過渡至泡狀流，氣泡在上升管內的吸收效果隨噴嘴孔徑減小顯著提高。

由此可見，管內氣液兩相流型可通過施加某種外部條件得到改變和控制，這對強化吸收、防止傳熱惡化及減小管路振動等工程應用具有重要意義。例如在一些特殊的船舶中，動力裝置廢氣的隱蔽排放是關鍵性技術。這種廢氣的成分為95%的CO2和5%的O2，利用海水吸收廢氣從而消除氣泡尾流對船舶安全至為關鍵[29-31]。本工作提出采用多孔板作為吸收器元件，在多孔板后形成均勻分散的泡狀流型和較小的氣泡，達到強化廢氣吸收的目的。然而當前對水平管內節流裝置后氣液兩相流型的研究很不充分，使得此類孔板吸收器的設計缺乏依據。為此，本工作對水平管內多孔板后的氣液兩相流型進行了可視化實驗，為多孔板在氣液兩相流動中的應用提供研究基礎。

1 實驗系統及多孔板試件

1.1 實驗系統與測點布置

實驗系統如圖1所示。實驗中氣液兩相分別采用空氣和水，空氣由壓氣機注入實驗管段，水由水箱提供并在實驗系統中通過水泵循環使用。水箱在高度方向距離進氣管中心1 m處設有溢流口，從而保持穩定的水箱內液位高度。水箱內設有高度為0.8 m的隔板使進水區和出水區分離，從而使進入水箱的氣相從水箱頂部逸出而不進入循環水中。空氣流量通過設置在進氣管路上的調節閥調節，水流量通過控制水泵轉速的變頻控制柜調節。

為了滿足流型觀察的可視化要求，在注氣管段后布置兩段各1 m長的透明無色有機玻璃圓管。玻璃管內徑為98.5 mm，壁厚為10 mm。多孔板通過定距拉桿固定在玻璃管段中。在多孔板上游管道內水平注入空氣，注氣口與多孔板相距250 mm，注氣口內徑為25 mm。采用NAC GX-8F高速攝像機對孔板前后的兩相流動進行攝錄和分析。

測點布置如圖1所示。壓縮空氣的流量、壓力和溫度測點設置在進氣管路上。在水循環管路上設置有水流量測點，在玻璃管段前、后的管路上設有壓力測點，水溫測點設置在水箱底部。各測量儀表的型號及參數見表1（其中空氣流量1m3·h-1是由串聯在進氣管路上的量程0.5～5 m3·h-1浮子流量計LZB-10L測得）。各儀表輸出的模擬信號由數據采集模塊采集，再由A/D通訊模塊輸入計算機。

表1 實驗用儀表

1.2 多孔板試件

本實驗中的多孔板主要區別于其小孔孔徑不同，分別為2、3、4、5 mm。多孔板設計以小孔均勻布滿整個孔板為原則，因此各個試件的小孔孔數也不同。4個多孔板試件的實物如圖2所示，結構參數見表2。

表2 多孔板試件結構參數

1.3 實驗工況設計

為了分析氣液兩相各自流量變化對流型的影響，對空管和每個多孔板試件均設計了8個實驗工況，見表3。

表3 兩相流實驗工況設計

表3中的第1組工況（a）～（e）是在一定水流量45m3·h-1下改變空氣流量；第2組工況（f）～（h）及（c）是在一定空氣流量5m3·h-1下改變水流量。實驗時調節兩相流量，使其盡量與該工況設計流量一致。與設計值相比，實驗各工況下液相流量和氣相流量的偏差分別在±1.0%和±6.0%以內。

2 流型實驗結果

本工作對無孔板空管和4個多孔板進行了實驗，每個試件均獲得了8個工況的流型。

2.1 空管實驗結果

圖3為空管實驗時注氣口之后管內氣液兩相流動的發展過程。由圖3可見，由于注氣口布置在水管軸心位置，排氣進入水流后隨水流向前運動，同時也在浮力作用下向管子上部運動，最終集中在管子上部向前運動。排氣進入水管后并非周期地形成單個氣泡，而是在運動水流的黏性作用下形成一定長度的氣柱。這股氣柱在注氣口后約150 mm處分裂破碎，形成尺寸不一的氣泡，氣泡受浮力作用富集在管子上部。當液相流量較小時，氣液分層界面較為清晰；隨液相流量和氣相流量增大，氣液分層界面趨于劇烈波動和紊亂，分散在管子下部水流中的氣泡也趨于增多。

在遠離注氣口的第2段玻璃管中，氣液兩相流動在大部分工況下呈塞狀流流型，如圖4（a）中工況。但在液相流量較小時，呈現出氣液分層界面清晰的分層流流型，如圖4（b）中工況。這與水平管Weisman流型圖的預測結果相符。

2.2 多孔板實驗結果

圖5～圖8分別為1#～4#多孔板的管內流型，每個工況包含孔板前后流型及板后充分發展流型。

3 多孔板實驗結果分析

通過對多孔板后流型的觀察和分析，在本工作實驗的工況范圍可將孔板后流型分為分層流、塞狀流和泡狀流3類。實驗結果表明氣液兩相流量大小以及多孔板孔徑大小均對多孔板后流型具有影響。為了直觀地示出多孔板后流型與水平管內流型的區別，將多孔板實驗結果繪制在Weisman流型圖上，如圖9所示。

3.1 多孔板孔徑對板后流型的影響

由圖9可見，多孔板后兩相流型的轉變邊界與水平管明顯不同。與水平管相比，多孔板后分層/塞狀流轉變邊界向液相流量增大方向推移，塞狀/泡狀流轉變邊界向液相流量減小方向推移，變化幅度非常顯著。在a=5 m3·h-1時，分層/塞狀流轉變的表觀液速約由0.45 m·s-1增大至1.2 m·s-1，塞狀/泡狀流轉變的表觀液速約由9.0 m·s-1減小至2.0 m·s-1（1#孔板）和1.5 m·s-1（4#孔板）。

孔徑對氣液兩相流過多孔板后的流型具有重要影響。在一定的液相-氣相流量下，隨著多孔板孔徑在2～5 mm范圍內逐漸減小，孔板后流型由分層流向泡狀流過渡，所以孔徑越小越有利于在多孔板后形成泡狀流。在流型圖上表現為隨著孔徑減小多孔板后形成泡狀流的流型轉換邊界向液相流量減小的方向推移。也即減小孔徑可在更加寬廣的兩相流量范圍內形成泡狀流，對形成泡狀流的兩相流量要求降低。

由圖9可知，隨著孔徑減小，多孔板后的塞狀流形成區域越來越小，分層/塞狀流轉變邊界與塞狀/泡狀流轉變邊界之間的距離逐漸縮短，即分層流越來越迅速地向泡狀流過渡。例如在孔徑為2 mm的4#孔板中未觀察到塞狀流流型，兩條流型轉變邊界幾乎重合，即分層流直接過渡為泡狀流。

孔板后形成分層流動不利于廢氣被海水高效快速吸收。為強化海水對廢氣的吸收效果，希望在孔板后形成均勻分散的泡狀流。所以，在采用多孔板作為廢氣吸收元件時，孔徑大小的選擇非常重要。通過增多孔數減小孔徑從而在多孔板后形成泡狀流強化吸收，對于多孔板吸收裝置的優化設計具有重要的指導意義。工程應用中應根據發動機排氣流量和海水流量的大小及比例選擇合適的小孔孔徑，避免在孔板后形成不利于廢氣吸收的分層流動。

3.2 氣相流量變化對多孔板后流型的影響

每個試件中氣相流量對孔板后流型的影響可由第1組實驗工況的流型實驗結果比較得出。由圖5～圖8可見，在相同液相流量45 m3·h-1下，隨著氣相流量在1～10 m3·h-1范圍內增大，1#孔板后流型均為塞狀流，4#孔板后流型均為泡狀流，而2#和3#孔板后流型由泡狀流轉變為塞狀流。

可見，在一定液相流量下，隨著氣相流量增大，某一孔徑多孔板后的兩相流動由泡狀流向非泡狀流過渡，也即氣相流量越小越有利于在多孔板后形成泡狀流。因此圖9所示塞狀/泡狀流轉變邊界線與橫坐標并不垂直，與水平管塞狀/泡狀流轉變邊界有一定區別。

但同時也可看出，這種流型轉換除了與氣液兩相流量大小相關外，還與多孔板的孔徑密切相關。在一定液相流量下，隨著孔板孔徑減小，形成泡狀流所需的氣相流量的上限增大，即可以在更大的氣相流量下形成泡狀流。在w=45 m3·h-1時，隨著孔板孔徑由5 mm減小至2 mm，塞狀/泡狀流轉變的臨界表觀氣速由約0.02 m·s-1增大至0.5 m·s-1以上。

3.3 液相流量變化對板后流型的影響

液相流量對板后流型的影響可由第2組實驗工況的結果比較得出。由圖5～圖8及圖9可見，對于1#、2#及3#孔板，在相同氣相流量5 m3·h-1下，隨著液相流量在15～55 m3·h-1范圍內增大，多孔板后流型先由波動分層流轉變為塞狀流，再從塞狀流轉變至泡狀流。而4#孔板在實驗的液相流量工況中是分層流直接轉變為泡狀流。

因此，在一定氣相流量下，隨著液相流量增大，多孔板后兩相流動趨于由分層流轉變為泡狀流，所以液相流量越大越有利于在多孔板后形成泡狀流。但這種流型轉換除了與氣液兩相流量大小相關外，也與多孔板的孔徑相關。在一定氣相流量下，隨著孔板孔徑減小，形成泡狀流所需的液相流量的下限減小，也即可以在更小的液相流量下在板后形成泡狀流。在a=5 m3·h-1時，隨著孔板孔徑由5 mm減小至2 mm，塞狀/泡狀流轉變的臨界表觀液速由約2.0 m·s-1減小至1.5 m·s-1。

所以，對多孔板廢氣吸收裝置而言，增大海水流量既有利于提供更多海水溶解吸收廢氣，也有利于在多孔板后形成均勻分散的泡狀流流型，從而進一步強化海水吸收廢氣的效果。

4 結 論

通過可視化氣液兩相流實驗系統對氣液兩相混合物流經多孔板后形成的流型進行實驗，研究了多孔板孔徑、氣相流量及液相流量變化對多孔板后流型的影響規律，主要結論如下。

（1）與水平管相比，水平管內多孔板后氣液兩相流型的轉變邊界發生了明顯改變。孔板后分層/塞狀流轉變邊界向液相流量增大方向推移，塞狀/泡狀流轉變邊界向液相流量減小方向推移。

（2）隨著氣相流量減小或液相流量增大，多孔板后流型趨于形成泡狀流。實驗發現孔徑大小對多孔板后流型具有重要影響，在一定的氣相及液相流量下，在孔徑2～5 mm范圍減小孔徑使孔板后流型趨于泡狀流。

（3）隨著孔徑減小，孔板后塞狀流或分層流向泡狀流轉變的邊界向更大氣相流量和更小液相流量方向推移，即形成泡狀流的兩相流量范圍增大。而且，隨著孔徑減小，孔板后流型逐漸趨于由分層流直接轉變至泡狀流，塞狀流趨于消失。

（4）在多孔板廢氣吸收裝置中，為了在孔板后形成均勻分散的泡狀流從而強化海水對廢氣的吸收效果，宜減小多孔板孔徑、增大海水流量。

（5）需注意孔徑及氣液兩相流量對多孔板后泡狀流形成的耦合作用機理。為保證吸收裝置吸收效果，建議在多孔板設計時孔徑不大于3 mm。

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Visualization study on flow pattern of gas-liquid two-phase flowing through multi-orifice plate in horizontal pipe

PENG Jiewei1, MA Youfu1, 3, WU Hengliang2, Lü Junfu3, LIU Yuan2, PENG An2, JIAO Qianfeng1

(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 200090, China;3Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Producing a bubble flow in multi-orifice plate downstream (MOPD) is a basic condition for the exhaust absorber with multi-orifice plates to achieve a satisfied absorption capacity. In this paper, a visualization experiment on the flow pattern of gas-liquid two-phase flowing through a multi-orifice plate in a horizontal pipe was conducted using the air and water as the gas and liquid phase, respectively. Four multi-orifice plates with the orifice diameter of 2, 3, 4 and 5 mm were tested in a horizontal plexiglass pipe with the inner diameter of 98.5 mm by using a high speed camcorder to record the air-water flow, thus the effects of orifice diameter, air flow rate and water flow rate on the flow pattern in the multi-orifice plate downstream were obtained. The results show that the stratified/plug flow transition in MOPD shift to an increased water flow rate while the plug/bubble flow transition shift to a decreased water flow rate in comparison with the flow pattern transition in horizontal pipes. The flow pattern in MOPD is inclined to a bubble flow with the decrease of air flow rate or the increase of water flow rate. Meanwhile, an important dependence on the orifice diameter is found for the flow pattern in MOPD. With the decrease of orifice diameter, the plug/bubble flow transition shift to an increased air flow rate and a decreased water flow rate, meaning that an increased flow range is obtained to form bubble flow. In addition, as the orifice diameter decreasing, the flow pattern in MOPD is inclined to transfer from wavy stratified flow to bubble flow directly without an occurrence of plug flow. To achieve a satisfied flow pattern and absorption capacity for the exhaust absorber with multi-orifice plates, it is recommended to choose the orifice diameter not larger than 3 mm.

gas-liquid flow; bubble; orifice plate; flow; flow pattern; visualization experiment

10.11949/j.issn.0438-1157.20161726

O 359+.1

A

0438—1157（2017）06—2266—09

馬有福。

彭杰偉（1993—），男，碩士研究生。

國家重點研發計劃項目 (2016YFB0600201)。

2016-12-09收到初稿，2017-03-13收到修改稿。

2016-12-09.

MA Youfu, imayoufu@163.com

supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0600201).