竖直大圆管内界面面积浓度分布特性

ｍｅ ｎ ｄ ａ ｔ ｒ（ ｕ ｂ ｅ ｄ ａ ｅ ｅ ） ｗｅ ｅ ｔ ｅ ｂ ａｎ ｄ ｂ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓ Ａｎ ｈ ｆｅ ｔｏ ｕ ｅ ｓｚ ｎ Ｉ ａ ｉ ｍｅ ｅ ｂ ｂ ｌ ｉｍ ｔ ｒ ｒ ｈ ｎ ｏ ｔ ｉ ｅ ｙ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ． ｄ ｔ ｅ ｅ ｆ ｃ ｆ ｔ ｂ ｉｅ ｏ ＡＣ
分别 考虑 了两 精 确 的模 型 。而界 面 面 积 浓 度 （ｎ ｅｆ— ｉｔｒａ
ｃ ｌ ｒａｃ ｎ ｅ ｔａｉｎ ＡＣ 在 两 流 体 模 型 中是 ｉ ｅ ｏ ｃｎ ｒｔ ，Ｉ ） ａａ ｏ 决定 界 面质量 、动量 和 能量传 递量 的关键 参 数 。 目 前 的反 应 堆 安 全 分 析 软 件 ＲＥ ＡＰ 、ＴＲ Ｌ ５ ＡＣ等 采
摘 要 ：采 用 光 纤 探 针 测 量 方 法 对 垂 直 上 升 管 中 空 气 一 两 相 流 动 的 界 面 面 积 浓 度 （ＡＣ 分 布 规 律 进 行 了研 究 。 水 Ｉ ） 实验 选 用 圆管 直 径 为 ｉ０ｒｍ 和 ５ ｍ （ 别 属 于大 管 径 和 过 渡 管 径 范 围） 气 相 、液 相 表 观 速 度 的 范 围 分 别 为 ０ ａ ０ｒ ｎ 分 。 ０ ０ ～１ ０ｒ ｓ１ Ｏ １０ｒ ｓ 。 ． １ ． ｎ・ － 和 ～ ． ｎ・ ＿ 。首 先 通 过 高 速 摄 影 获取 的影 像 数 据 对 光 纤 探 针 法 的 测 量 精 度进 行评 价 ，并 在 此 基 础 上 对 光 纤 测 量 方 法 进 行 了标 定 ，然 后 利 用 实 验 获 得 了 Ｉ Ｃ、索 特 平 均 直 径 （ 泡 直 径 ） 径 向分 布 情 况 。 Ａ 气 通过 对 比 分析 两 个 圆管 管 内 Ｉ Ｃ、气 泡 直 径 分 布 特 点 ，得 到 了管 径 的 尺 度 效 应 对 Ｉ Ａ ＡＣ及 气 泡 行 为 的 影 响 规 律 。 利用 获得 的 Ｉ Ｃ数 据 ，对 几 类 Ｉ Ａ ＡＣ计 算 模 型 进 行 了评 价 ，并基 于 Ｈｉｉｉ ｓｉ模 型 ，通 过实 验 数 据 拟 合 ，得 到 了 ｂｋ－ ｈｉ Ｉ
更高计算精度的 Ｉ ＡＣ计 算 关 联式 。
关 键 词 ：大 管 径 ；界 面 面积 浓 度 ；两 相 流
ＤＯＩ １ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ４ ８ １ ５ ． ０ ２ ０ ． ２ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ ０ ３ — １ ７ ２ １ ． ６ ０ ２
中图 分 类 号 ：Ｔ ３ Ｌ３４
用基 于流 型 的经验公 式计 算 Ｉ ＡＣ，此类代 数 经验算
法并 不能 反映 流型结 构 的本质 特性 ，存在 着 固有 的 缺 陷 。因此 ，对 于 Ｉ ＡＣ的研究 很有 必要 。 鉴于 Ｉ ＡＣ的重 要 性 ，近几 十年 ，一 些 学 者口 根据 池式 和强 制流 动 的实验数 据 ，相继 提 出了一些 Ｉ ＡＣ的计 算 模 型 ，其 实 验 管 径 主 要 范 围为 ２ ． ～ ５４ ５． ０ ８ｍｍ。而 大管 径 的定义 为通 道 内弹状 气泡 不再 稳 定 存 在 的管 道 尺 寸 ，Ｋａａ ｋ ］ ｔｏ ａ等［ 研 究 发 现 ， ７ 当通 道 的水力 直径超 过 一定值 时 ， 由于 泰勒 不稳定 性 ，两相 流动 过程 中弹状 气泡 无法 稳定存 在 ，流 型 中不 会 出现弹 状流 。与 常规通 道相 比 ，其 流 型特征 明显 不 同 。据 此 ，他 们 提 出了区分 大通 道和 常规通
ｅ ｌ ａ ｉ ｔ ｍｅ ｓ ｅ ｅ ａ ｃ ｒ ｃ ｖａ ｕ ｔｎｇ ｉｓ ａ ｕｒ ｍ ｎｔ ｃ ｕ ａ ｙ， ｔ ｏ ｔｃ ｌ ｒ ｂ ｗａ ｃ ｌｂ ａ ｅ ｂｙ ｏ ｐ ｒｎ ｉｓ ｈｅ ｐ ｉａ ｐ ｏ ｅ ｓ ａｉｒ ｔ ｄ ｃ ｍ ａ ｉ ｇ ｔ ｍｅ ｓ ｅ ｅ ａ ｕｒ ｍ ｎｔ ｒ ｓ ｔｗｉｈ ｈ ｐ ｔ ｇ ａ ｉ ｔ ｏ ｔ ｉ ｅ ｈｉ — ｐｅ ｄ ｖ ｄｅ ． ｅ ａ ｉｌ ｐｒ ｆｌｓ ｆ Ｉ ｅ ｕｌ ｔ ｔ ｅ ｈｏ ｏ ｒ ｐｈ ｃ ｄａ ａ ｂ ａ ｎ ｄ ｂｙ ｇｈ ｓ ｅ ｉ ｏｓ Ｔｈ ｒ ｄ ａ ｏ ｉｅ ｏ ＡＣ ｎｄ ａ Ｓａ ｅ ｕｔ ｒ
ａ ｕｂｂ ｅ ｂｅ ｖ ｏ ｓｏ ａｎｅ ｎ ｌ ｓ ｓｏ ｈ ｉ ｔ ｉ ｔｏ ｒ ｉｅ ｆＩ ｎｄ ｂ ｌ ｈａ ｉ ｒｗａ ｂｔ ｉ ｄ ｂｙ ａ ａ ｙ ｉ ｆｔ ｅ ｄ ｓ ｒｂｕ ｉ ｎ ｐ ｏｆｌ ｓｏ ＡＣ ｎｄ ｂ ｂｌ ｉｍ ｅ ｅ ｎ ｔ ａ ｕｂ ｅ ｄ ａ ｔ ｒｉ ｈｅ ｔ ｔ ｂｅ ． ｖ ｒ ｍｏ ｌ ｆ ｒ ａ ｃ ａ ｉ ｇ ＡＣ ｗｅ ｅ ｖ ｌ ａ ｅ ａ ａ ｎ ｔ ｘｐｅ ｉ ｎｔ ｌ ｒ ｓ ｌｓ ｎ ｔ ｗｏ ｕ ｓ Ｓｅ ｅ ａｌ ｄｅｓ ｏ ｃ ｌｕｌｔｎ Ｉ ｒ ｅ ａ ｕ ｔ ｄ ｇ ｉ ｓ ｅ ｒｍｅ ａ ｅ ｕ ｔ．Ｉ ｈｅ ｍｅ ｎｔｍｅ， ａ ｍ ｏ ｅ ａ ｃ ｒ ｔ ｏ ｒ ｌ ｔｏｎ ｆ ｒ ｃ ｌ ｕ ａ ｉ ｇ Ｉ ａ ｉ ｒ ｃ ｕ ａ ｅ ｃ ｒ ｅａ ｉ ｏ ａｃ ｌ ｔｎ ＡＣ ｓ ｄ ｏ ｈｅ Ｈｉ ｋ— ｓ ｉ ｍｏ ｌｗａ ｒ ｏ ｅ ｂａ ｅ ｎ ｔ ｂｉ ｉＩ ｈ ｉ ｄｅ ｓ ｐ ｏｐ ｓ ｄ
ｂ ｉｔｎｇ ｔ ｘ ｒｍ ｅ ａ ａ ａ ｙ ｆｔｉ ｈｅ ｅ ｐｅ ｉ ｎｔ ｌｄ ｔ ． Ｋｅ ｒ ｓ： ｌ ｒ ｅ ｄｉｍ ｅ ｅ ｐｅ；ｉ ｅ ｆ ｃ ａ ｒ ａ ｃ ｎｃ ｎｔａ ｉ ｎ；ｔ ｏ ｐｈ ｓ ｌ ｗ ｙ ｗｏ ｄ ａｇ ａ ｔ ｒｐｉ ｎｔ ｒ ａ ｉｌａ ｅ ｏ ｅ ｒ ｔｏ ｗ — ａ ｅ ｆｏ
第６卷 ３
第 ６ 期
化
工 学
报
Ｖ Ｏ ＿ ３ ＮＯ． ｌ６ ６
２１ ０ ２年 ６月
ＣＩ ＥＳＣ Ｊ ｕ ｎ ｌ ｏ ｒ ａ
Ｊ ｎ ２ ２ ｕｅ Ｏ１
竖 直大 圆管 内界面 面 积浓 度分 布 特性
孙 波 ，孙 立成 ，幸奠川 ，田道 贵 ，刘靖 宇
（ 尔 滨 工程 大学 核 安 全 与 仿 真 技 术 国防 重 点 学 科 实 验 室 ，黑 龙 江 哈尔 滨 １ ０ ０ ） 哈 ５ ０ １
道 的临 界尺寸
一
图 １ 实 验 回路
Ｆｉ Ｓｃ ｅ ａ ｉ ａ ａ ｏ ｘｐｅ ｉ ｅ ａ ｏ ｇ．１ ｈ ｍ ｔｃ ｄｉｇｒ ｍ ｆｅ ｒｍ ｎｔ ｌｌ ｏｐ
释放 到 大气 中 ，而水 则 汇入水 箱循 环使 用 。水 流量
Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ （ ｉ ｅ ｓｔ ＨＥＵＣＦＺ １ ２ ． １ ２ ）
第 ６期
孙 波 等 ：竖 直 大 圆 管 内 界 面 面积 浓度 分 布 特性
・ ８ｊ 】 工 ・
引 言
大 通道 内的 气液 两 相 流 现象 广 泛存 在 于 化工 、 能源 、石 油 运 输 等 很 多 领 域 。在 对 两 相 流 的描 述 中 ，由于两流 体模 型 详 细 考 虑 了界 面 的 相 互作 用 ，
Ｕｎ ｖ ｒｉ ｉｅｓｔ Ｈ ａ ｂｎ １ ０ ０ ， Ｈｅｌｎ Ｊａ ｇ， Ｃ ｉａ ｙ， ｒｉ ５ ０ １ ｉｏ ｇ ｉｎ ｈｎ ）
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈｅ ｄ ｓ ｒｂｕ ｉ ｎ ｐ ｏ ｉｅ ｏ ｎｔ ｒ ａ ｉ ｌａ ｅ ｏｎｃ ｎｔ ａ ｉ ｎ （ ＡＣ） Ｏ ａ ｒｗａ ｅ ｗｏ ｐ ｓ ｌ ｗ ｎ ｔａ ｔ ｉ ｔｉ ｔｏ ｒ ｆｌ ｆ ｉ ｅ ｆ ｃａ ｒ ａ ｃ ｅ ｒ ｔｏ Ｉ ｉ— ｔ ｒ ｔ — ｈａ ｅ ｆｏ ｉ ｖｅ ｔｃ ｌｐ ｐｅ ｓ ｓ ｕｄ ｅ ｓｎｇ ｔ ｅ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｔ ｃ ｒｉ ａ ｉ ｓｗａ ｔ ｉｄ ｂｙ ｕ ｉ ｈ ａ ｕ ｅ ｎ ｅ ｈｎｉ ｕ ｆ ｏ ｔｃ ｌｆｂ ｒ ｐ ｏ ｓ Ｔｈ ａ ｅ ｅ ｆｔ ｑ ｅ ｏ ｐ ｉａ ｉ ｅ ｒ ｂｅ ． ｅ ｄｉｍ ｔ ｒｏ ｈｅ ｌｒ ｎｄ ｒ ｎｓｔｏ ａ ｔ ａ ｇｅ ａ ｔ ａ ｉｉ ｎ ｌ ｕｂｅ ｗａ １ ０ ｓ ｓ ０ ｍ ｍ ａ ５ ｍ ｍ ， ｒ ｓ ｃ ｉ ｅ ｙ Ｓｕ ｒ ｉｉ ｌ ｓ ｎｄ ｉ ｉ ｖ ｌ ｃｔ ｎｄ ０ ｅ ｐｅ ｔｖ ｌ ． ｐｅ ｆｃａ ｇａ ａ ｌ ｑｕ ｄ ｅ ｏ ｉｙ ｒ ｎ ｄ ｆｏ ａ ｇｅ ｒ ｍ ０． １ ｏ ． ｍ ・ ｓ ０ ｔ １ ０ — ａ ｄ ｒ ｍ ０ ｏ ． ｍ ・ ｓ ， ａ ｃ ｄ ｎ ｙ Ｆｉｓ ｌ ｎ ｆ ｏ ｔ １ ０ ＿。 ｃ ｏｒ ｉ ｇｌ ． ｒ ｔｙ． ｏ ｔ ｂａ ｉ ｏ ｎ ｈｅ ｓｓ ｆ
（ ＨＥＵ ＣＦＺ １ ２ １ ２ ）。
Ｒｅｅｖｄ ｄ ｔ： ２ ¨ 一 ｌ — ０ ． ｃｉｅ ａｅ ０ １ ７
Ｃｏ ｒｓ ｏ ｄｎ ｕｈ ｒ Ｓ Ｎ ｒｅｐ ｎ ｉｇａ ｔｏ ： Ｕ Ｂｏ， ｓ ｎ ｏ７ ９ １ ６ Ｃ Ｉ ｕ ｂ １ ＠ ２ ． ＯＴ Ｉ
Ｆ ｕ ｄ ｔｏ ｔ ｍ ： ｓ ｐｐ ｒ ｅ ｂ ｈｅ ｏ ｎ ａ ｉｎ ｉｅ ｕ ｏ ｔ ｄ ｙ ｔ Ｎａ ｉ ｎ ｌ ｔｏ ａ Ｎａ ｕｒ ｌ ｃ ｅ ｃ ｔ ａ Ｓ ｉ ｎ ｅ
文 献 标 志 码 ：Ａ
文章 编 号 ：０ ３ — １ ５ （ ０ ２ ６ １ １ —０ ４ ８ １ ７ ２ １ ）０ — ８ ０ ６
Ｄｉ ｔ ｉ ｕ ｉ ｎ ｐ ｏ ｉｅ ｏ ｎ ｅ ｆ ｃ ａ ｒ ａ ｃ ｎｃ ｎｔ ａ ｉ ｎ ｓ ｒ ｂ ｔｏ ｒ ｆｌ ｆ ｉ ｔ ｒ ａ ｉ ｌａ ｅ ｏ ｅ ｒ ｔｏ ｉ ｅ ｔｃ ｌａ ｄ ｌ ｒ ｅ ｃ ｒ ｕ ａ ｕ ｅ ｎ ｖ ｒ ｉ ａ ｎ ａ ｇ ｉｃ ｌ ｒ ｔ ｂ ｓ
Ｆｏ ｎ ａｉｎ ｆ ｕ ｄ ｔｏ ｏ Ｃｈｎ （５ ０ ６ ３ ｉａ １ ７ ０ ４）， ｔ ｅ ｈ Ｋｅ Ｓｕ ｊｃ Ｌａ ｏｒｔ ｒ ｙ ｂｅ ｔ ｂ ａｏｙ
Ｆｏ ｎ ａ ｉ ｎ （ ＥＵＦＮ１ ０ ） ａ ｄ ｔ ｓ ａ ｃ ｕ ｄ ｔｏ ｆＣｅ ｔ ａ ｕ ｄ ｔｏ Ｈ １２ ｎ ｈｅＲｅ ｅ ｒ ｈ Ｆｏ ｎ ａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｒ ｌ
２ １ — １ —０ ０ １ １ ７收 到 初 稿 ，２ １ —０ —０ ０ ２ ２ ５收 到 修 改稿 。 联 系 人及 第 一 作 者 ：孙 波 （ ９ ７ ） １８ ，男 ，硕 士 研 究 生 。 基金 项 目 ： 国家 自然 科 学 基 金 项 目 （ １ ７ ０ ４ ；重 点 实 验 室 ５０６３） 基 金 项 目 （ ＵＦ １ ２） 中 央 高 校 科 研 专 项 基 金 项 目 ＨＥ Ｎ１ ０ ；
ＳＵＮ Ｂｏ， Ｓ ＵＮ ｃ ｎ Ｌｉｈｅ ｇ， ＸＩ ＮＧ ａ ｈｕ ｎ， ＴＩ Ｄｉ ｎｃ ａ ＡＮ ｏ ｕ ，ＬＩ Ｊｉ ｇ ｕ Ｄａ ｇ ｉ Ｕ ｎ ｙ （ ｔｏ ａ ｆ ｒ ｅＫｅ ｕ ｊ ｃ ａ ｏａ ｏ ｙ ｆ ｒＮｕ ｌａ ａ ｅｙ ａ ｄ Ｓ ｍｕ ａ ｉｎＴｅｈ ｏｏ ｙ，Ｈａ ｂｎＥｎ ｉ ｅｒｎ Ｎａ ｉｎ ｌ Ｄｅ ｅ ｓ ｙ Ｓ ｂ ｅｔＬ ｂ ｒ ｔｒ ｏ ｃｅ ｒＳ ｆ ｔ ｎ ｉ ｌ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｉ ｏ ｒ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉｇ