小直径管内垂直向上流动的流型研究

小直径管内垂直向上流动的流型研究

L. Chen* Y. S. Tian** and T. G. Karayiannis**

*Department of Engineering Systems, London South Bank University, 103 Borough Road, London SE1 0AA, U.K., E-mail: tassos.karayiannis@

** Aspentech Inc., The Gemini Building, Fermi Avenue, Didcot, Oxfordshire, U.K. 摘要本文以R134a为工质的垂直小直径管中的两相流流型。所观察到的流型包括泡状流、分散泡状流、受限泡状流、弹状流、团状流、环状和雾状流。本文给出的十二种流型图，是在四个内径（1.10、2.01、2.88和4.26毫米）和三个不同的压力（6、10、14bar）的工况下得出的。在2毫米或以下管径时，流型表现出很强的如早先研究所描述的“小直径管特性”。弹状-团状流和团状-环状流的边界层取决于管的直径和压力，分散泡状-团状流和泡状-弹状流受上述影响较小，过渡区边界层厚度与现有模型的常规管径中的流型有很大差别。流型图考虑了多种坐标组下的情形。结果表明，Lockhard-Martinelli参数和质量流率可以用来衡量流体压力对流型的影响。

关键词两相流型小直径管

绪论

小通道两相流流型的研究是当前一个重要的研究课题：首先，它在现代工业中扮演着重要角色[1-3]；其次，尽管一些小直径管中表现出的常见特性已经被很多研究人员确认，但流型转变机制是相当模糊的和有争议的[4-6]。这样，不同的研究者之间还有很多争论，需要进一步的实验工作和技术研究。

小直径管和微通道的定义尚未得到普遍认同，使实验对照变得很困难，尤其是使用不同种流体和不同的实验条件的时候。在一般情况下，直径在厘米和毫米量级的管被分别视为常规管径（传统意义上的）和小直径管。最近，许多研究人员认为，这个标准应该是基于热流体特性，而不是通道的尺寸。Fukano和Kariyasaki[1]实验使用空气-水流量在1至9 mm管径在大气条件下的流动效果。他们发现了表面张力超过重力的临界直径为5至9mm，管径小于6mm时，直径大小的影响超过主流方向的影响。该结论与Kew和Cornwell的标准一致[7]，他们发现，约束系数Co>0.5时二相流具有不同的流动和传热特性，这依赖于管径以及液体和蒸汽的表面张力和密度（压力）。Brauner和Moalem-Maron[8]认为当

Eotvös数Eö>1时，表面张力作用强于其他力。Triplett et al.[9]提出在Eö>100时层流消失。上述三个标准代表了小通道的流动特性，正如所看到的，其差异也相当显著[10]。

小通道流型的分类仍未普遍认同，事实上，不同的研究者勾勒流型图也可能不同，即使他们在类似的条件下使用相似的不同的管子。研究结果几乎不能确认或比较，因为没有公认的基准结果。其实影响流型的因素众多且复杂，流型的识别受到观察者主体和所用实验技术的影响也较大。从一种流型过渡到另一种流型可能是突然的，但是在大多数情况下它是一个渐进的发展过程，在这种情况下，过渡边界层变成一个过渡区域，过渡区域的流型具有不止一种流型的特性。上述因素构成了流型缺乏确定性的主要原因。虽然在流型分类上还存在争议，大多数研究者赞同的流型分类有四个主要类别：分层流、间歇流、环形流和泡状流，每个主类可以细分为多个子类。表1列出了用于两相流型在常规管径和小直径管中的典型描述。与正常规格的管材相比，平稳的层流在小通道难以观察到，同时，由于表面张力的增强效果，受限泡状流逐渐显现。在小直径管间歇流和环状流附近还存在问题区域，在这个区域内，可以观察到要么是环状流（Barnea et al. [5] &Colemen & Garimella [11]）要么是伪弹状流弹头（Damianides & Westwater [12]），这取决于观察者。

表1 流型分类及其描述

层流稳定层流

波动层流波动层流

泡状流

泡状流泡状流

分散泡状流分散泡状流

间歇流柱塞流（拉长泡状流）柱塞流（受限泡状流）弹状流（泰勒泡状流）弹状流（泰勒泡状流）团状流

团状流

伪弹状流（波动环状流）

环状流

环状流环状流

雾状流雾状流一些研究人员认为，从常规管径推导出模型或经验图可以预测除少数过渡边界层外的小直径管流型（Mishima & Hibiki [13]，Barnea et al. [5]），相反，大多数研究者持相反的意见（Coleman & Garimella [11]，Triplett et al. [9]）。除上述分歧外，在管径影响上他们还提出了矛盾的结论。例如，Daminides和Westwater[10]

发现随着管道尺寸的减小，分散泡状流转变到间歇流时，过渡边界层的液体表观流速减小，同时Coleman和Garimella[11]还指出，表观流速较大时上述现象也会出现，详见[10]。

McQuillan和Whalley[14]研究了压力对流型的影响，他们比较了在不同压力（34.5MPa和69.0MPa）下10mm垂直管中的水-气流型图，发现随着压力的增加，弹状-团状流和团状-环状流的边界层略微转向较低气流率的区域。在这项研究中，对小直径管绝热R134a的流型进行了精确的可视化实验，管径为2.01mm 和 4.26mm的实验结果见参考文献[10]。目前已完成的实验数据涵盖四种管径（1.10mm、2.01mm、2.88mm和4.26mm）和三个不同的压力（6bar、10bar和14bar），其主要目标包括：（i）获得流型图，（ii）确定当前的实验条件下的临界直径，（iii）将流型与现有模型进行比较，（iv）验证压力和管径对流型的影响，（v）评估参考坐标组。

实验装置

该实验装置由三部分组成，即R22冷却系统、R134a实验系统（图1）以及控制和数据采集系统。该装置由不锈钢制成，也适用于范围广泛的流体。试剂R134a液态和气态表观速度分别可达5m/s和10m/s，实验系统详见[10]。目前的实验中观察到了所有典型的流型，包括泡状流、分散泡状流、受限泡状流、弹状流、团状流、环状流和雾状流。1.10mm、2.01mm、2.88mm和4.26mm四种管径下的实验结果见图2。一个实验单元由稳流段、加热段和观察段组成，充分发展的单相液体流态是在稳流段形成的；两相流通过直接在薄壁钢管壁上通电产生——加热段；观察部分是与加热段钢管具有相同内径的硼硅玻璃管，直接连接到加热段的出口处；流型通过一个快速成像装置（幻影V4 B / W型，分辨率512×512像素，全像最高分辨率1000张/秒，局部最高分辨率32000张/秒，最小10微秒曝光时间）进行观察。

流型测定实验中最重要的测量对象是温度（T3）、压力（P3、P4、P0）、流率（F1或F2）以及加热功率（DPM2），见图1和图2。热电偶T3以水的三相点为基准，以便提高测量精度，系统压力通过制冷箱中的加热器控制，加热器功率由一个PID控制器根据观察段出口处的压力信号自动调节（P10）。

表2关键参数的不确定性摘要