垂直气-液两相管流中的流型转换机制与控制

北京大学学报（自然科学版），第36卷，第3期，2000年5月

A cta s cientiaru m N aturali u m

U n ivers itatis peki nens is，V o l.36，N o.3（M a y，2000）

垂直气!液两相管流中的流型

转换机制与控制

孙宝江

（石油大学（华东）石油工程系，东营，257062）

颜大椿

（北京大学力学与工程科学系，北京，100871）

摘要对大管径气-液两相流动中严重影响压力平衡与机械驱动效率的段塞流生成机制和控制

方法进行了研究，实验证明段塞流的形成是由于空隙率波的大幅度增长使气泡高度集中，并形成

聚并所致。强湍流运动可以抑制T a y lor泡的形成。因此，通过强化湍流或控制扰动频率可以对气

泡聚并起明显的抑制作用。

关键词气-液两相流；空隙率波；湍流运动；流型；控制

中图分类号

"引言

本文在前人工作的基础上，对大管径内的流型转换机制及控制方法进行了研究，从空隙率波的不稳定性入手，揭示了泡状流中T a y lor泡的形成机制，并提出了控制流型转换的措施。

过去有关流型转换机制的研究几乎全在小管径的流动中进行的，而大管径内的流动现象与此有着明显的差别。早在80年代，T aitel等人［1］提出气泡的逐渐合并是泡状流到段塞流转换的主要原因，同时指出若流动中由于湍流运动造成的气泡分离和气泡合并达到平衡，一种特定的离散泡状流型就会形成。但是，许多学者通过实验研究提出气泡的逐渐碰并不是泡状流向其他流型转换的真正原因，因为他们发现管路中的流型转换往往是在瞬间完成的［2!10］。~.c hen g［2］在28.9mm的管道中进行的实验证实，在液体流量不变的情况下，泡状流突然转换为段塞流，其机理不详，但检测到转捩时空隙率波呈不稳定性。许多学者［3!10］的研究证明流型的转换与空隙率波有关，使得空隙率波的研究成为两相流领域的一个热点。但是，在空隙率波如何引起流型转换的研究方面还没有取得突破。

#空隙率波的不稳定性与段塞流的形成

#$#研究方法

由于空隙率波是一种疏密波，见图1（其中!!与!分别代表瞬时截面含气率与平均截面含收稿日期：1999-07-07；修回日期：1999-09-06

气率），当它的强度达到一定极限时，就可能使泡状流中的大量气泡高度集中，并在较短的瞬间聚并成为周期性的T a y lor 泡。形成聚并的条件是此时的空隙率波已具有较强的振幅和较高的增长率，而产生这种聚并的必然结果是段塞流中T a y lor

泡的生成周期应与泡状流中最大增长率的空隙率波的频率相等或十分接近。

T "T

0S i （t ）S j （t +#）d t 。（2）

对R i j 取傅里叶变换便得到互功率谱密度函数（CSDF ）

S i j （"）=S i （"）

S #j （"）。（3）

信号S （t ）的自相关函数为283北京大学学报（自然科学版）第36卷

R ii （C ）=li m T - l T T 0S i （I ）S i （I +C ）d I 。（4）

对R ii 取傅里叶变换便可得到功率谱密度函数

（PSDF ）S ii （0）=S i （0）

S i （0）。（5）

假如空隙率波形的输出信号的波动可以采用如下空间增长模式描述［l4］S ^ex p ［i （aZ -0I ）］，（6）

其中，0是角频率，a 是复波数，a =a r +ia i ，则当a i <0时，空隙率波出现增长；a i >0时，空隙率波出现衰减。为了求得a i ，定义一个函数H i j （0）

H i j （0）=S i j （0）S ii （0）。（7）根据（6）

式的定义H i j （0）=S i j （0）S ii （0）=ex p （-a i !Z ），（8）

于是，a i =-l n H i j （0｛｝）／!Z 。（9）

根据（9）式，要求解a i ，只需知道相邻两传感器的输出信号和距离。（9）

式还可以变换成如下形式a i =-l !Z l n S j （0）S i （0

），（l0）它相当于声学中的衰减系数。定义另外一个增长率0等于负的a i ，即0=-a i 。

（ll ）

则0>0时，空隙率波增长；反之，空隙率波衰减。!"#实验结果及讨论

根据B iesheuvel ［7］等人在理论上的预测，

泡状流空隙率波是一种不稳定波，在含气率大于临界含气率时存在一个最大扰动增长频率。但这一理论并不能解释空隙率波动与泡状流“失稳”到段塞流转换的关系。对于一种特定条件下的空隙率波施加不同频率的扰动，空隙率波应存在不同的响应。本文将在直径为ll2.5mm 的垂直圆管中进行了气-液两相流的实验，验证空隙率波对有限振幅扰动的响应情况。采用的数据处理方法是对比不同扰动频率下空隙率波在频域内的最大增长率0m ax ，0m ax 的定义参见图2。

图3是气泡直径d =3.5mm ，V L =0.0ll m ／s 时气

-液两相泡状流动中，平均截面含气率E =l9.2%时，

在空隙率波的控制频率附近，几种不同扰动频率f r 下不稳定空隙率波增长率0m ax 变化。其变化趋势亦呈上凸二次曲线，

空隙率波的增长率0m ax 对扰动频率的最大响应在f r m ax =0.7"

l.l ~Z ，这一频率数值在泡状流空隙率波的控制频率范围之内，而且正好对应于泡状流转换为段塞流的控制频率，参见图4。含气率上升到2l.5%时，流型突然发生变化，形成段塞流，其空隙率波曲线和频谱如图4所示。

通过扰动对空隙率波增长特性的实验结果分析，证明气-液两相泡状流空隙率波对有限扰动是不稳定的，并对扰动的频率有所选择。空隙率波的增长率对不同频率的扰动的响应不同，存在一个明显的最有效的扰动频率，在这个频率下的扰动使得空隙率波的增长率最大。空隙率波的最快增长频率对应着其控制频率，在本文的实验条件下，这一频率值为l.l ~Z 左右，见图3。

在含气率达到某一数值特别是在泡状流即将开始向其他流型转换的临界值附近时，空383第3期孙宝江等：垂直气-液两相管流中的流型转换机制与控制