CN102589841A - 摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，包括储水箱、混合腔、实验段、汽水分离装置、空气压缩机、储气罐、摇摆台、光电转换器、光源，混合腔、汽水分离装置分别安装在实验段的两端，储水箱通过管路分别连接汽水分离装置和混合腔，储气罐和空气压缩机并联后与混合腔相连，混合腔还连接摇摆台，所述的实验段上安装有光纤探针、压力传感器，光电转换器面对光纤探针布置，光源面向光电转换器。本发明进一步发展和完善了研究稳态条件下大通道内气液两相局部参数分布及输运机理的实验装置，实验中发泡均匀，能获得稳定的泡状流，气水分离装置依靠重力分离，保持出口压力恒定。

Description

摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种热工水力技术及化学工程领域的两相流实验装置。

背景技术

气液两相流动广泛应用于实际工业过程中，如化学反应工程，石油天然气运输及动力工程等。随着近年来人类对节能的需求及高性能换热技术的出现，流动沸腾越来越受到研究者的重视。目前对气液两相流动宏观压降和流型等相关研究已经开展了很多年，但对于两相局部界面分布及界面输运过程等微观现象的研究还不够成熟。随着两流体模型的提出和建立，界面面积浓度作为一个重要的参量必须通过实验手段获得。因此对两相流动局部参数进行准确的实验测量有十分重要的意义。

将核动力反应堆成功运用于船舶动力装置是二十世纪人类科学的重大成就。相对于陆基反应堆，船用反应堆受海洋条件的影响会出现摇摆、起伏、倾斜等附加运动，其动力装置中冷却剂流动特性可能发生改变。尽管国内外学者对摇摆等非稳态条件下单相流动及两相流动宏观压降等进行了大量研究，但对摇摆条件下两相局部相分布特性的研究未见公开发表的文献，没有现成的可实现相关功能的实验装置。目前摇摆条件下两相局部参数分布特性及传热传质机理尚不明确，因此很有必要开展这方面的研究，为船用反应堆技术的发展提供支持。

实验是科学研究不可缺少的重要手段，所有的理论分析或数值计算结果都需要得到实验的验证。在两流体模型中，界面浓度目前主要依赖实验手段获得，需要对两相流局部相界面进行测量，探针或者高速摄影仪等先进仪器运用较多。非稳态条件下两相流动与稳定状态下有较大不同，实验段空间位置实时变化，需借助于摇摆台在运动条件下对局部参数进行实时监测。能否准确获得摇摆条件下两相流动局部参数分布特性是决定船用反应堆热工水力及非稳态传热传质研究能否取得实质性进展的关键因素。

对大通道圆管内两相流动相界面分布特性的研究，目前开发的实验装置较多，如采用光学探针，电导探针，高速摄影，射线衰减，粒子示踪等。其中光纤探针因其相应频率高，制作简单而被大量采用(如：Shen X，Saito Y，MishimaK，et al.A study on the characteristics of upward air-water two-phaseflow in a large diameter pipe.Experimental Thermal and Fluid Science31(2006)21-36；Kataoka I，Serizawa A.Interfacial area concentrationin bubbly flow.Nuclear Engineering and Design 120(1990)163-180)。这类实验装置只能对稳定状态下两相流动局部界面参数进行测量。实验段或者其支承架直接与地面相接，无法获得摇摆条件下气液两相流动。摇摆条件下气液两相流动特性的研究目前国内主要集中在哈尔滨工程大学(如阎昌琪，于凯秋，栾锋等.摇摆对气-液两相流流型及空泡份额的影响[J].核动力工程，2008，29(4)；曹夏昕，阎昌琪，孙中宁.气-液两相泡状流在摇摆状态下的摩擦压降计算，核动力工程，2007，28(1).)。这类实验装置只能对两相流动宏观压降，流型及平均空泡份额等进行测量，不能深入的对两相流局部界面参数进行研究，对摇摆条件下气液界面输运机理尚不明确。同时这类实验装置采用的实验段通道直径一般在40mm以下，无法模拟大通道内两相流动特性。

发明内容

本发明的目的在于提供实现摇摆条件下两相流动局部界面参数的测量摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：包括储水箱、混合腔、实验段、汽水分离装置、空气压缩机、储气罐、摇摆台、光电转换器、光源，混合腔、汽水分离装置分别安装在实验段的两端，储水箱通过管路分别连接汽水分离装置和混合腔，储气罐和空气压缩机并联后与混合腔相连，混合腔还连接摇摆台，所述的实验段上安装有光纤探针、压力传感器，光电转换器面对光纤探针布置，光源面向光电转换器。

本发明还可以包括：

1、还包括探针定位及驱动机构，探针定位及驱动机构包括相互连接的横向金属杆、电机和螺旋测微计，光纤探针连接探针定位及驱动机构。

2、所述的实验段上设置观察段，实验段采用有机玻璃圆管，观察段采用有机玻璃将圆管外表面补偿成为矩形截面，观察段旁设置摄像机。

3、所述的储水箱与混合腔之间依次安装循环水泵、过滤器、水流量调节阀，所述的混合腔与空气压缩机和储气罐之间依次安装止逆阀、体积流量计、压力表、减压阀、空气干燥器。

4、所述的混合腔底端采用均气板进气，均气板上设置140个毛细管，气相竖直进入混合腔，所述的均气板上的毛细管直径可变。

本发明的优势在于：

1、本发明通过系统和设备的合理设计使实验装置可以在摇摆等非静止条件下进行，通过改变不同的摇摆周期和摇摆振幅，能模拟船舶在不同的摇摆工况下动力系统中冷却剂气液两相流动特性。获得摇摆条件下两相流动局部界面参数，如截面含气率、界面面积浓度、气泡运动速度和方向等，为两相流动过程的传热传质机理研究及摇摆条件下两流体模型的应用提供了有力的支持。

2、本发明设计的光纤探针系统能对竖直和倾斜条件下两相流动局部参数进行测量，进一步发展和完善了研究稳态条件下大通道内气液两相局部参数分布及输运机理的实验装置。

3、本发明设计的混合腔能根据实验需求产生不同直径的气泡，实验中发泡均匀，能获得稳定的泡状流，气水分离装置依靠重力分离，保持出口压力恒定。

4、本发明设计的探针驱动机构能实现探针自动调节，大通道探针位置较高，电力驱动探针能避免实验者往复上下实验台架，实验人员安全更有保障。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的实验段结构示意图；

图3为本发明的探针定位及驱动机构示意图；

图4为本发明的探针结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，一种摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，主要包括储水箱1、循环水泵2、过滤器3、水流量调节阀4、质量流量计5、摇摆台6、压力表7，12、减压阀8、空气干燥器9、空气压缩机10、储气罐11、计算机数据采集系统13、压力传感器14、探针定位及驱动机构15、实验段16、混合腔17、止逆阀18、光纤探针19、高速摄像系统20、汽水分离装置21、激光源22、四通道光电转换器23、相关各种阀门24～36、体积流量计37～39以及摇摆台控制台40。

摇摆台通过控制系统使液压驱动杆按照设定的规律伸缩运动，从而驱动摇摆台绕摇摆轴按照设定的摇摆周期和摇摆角度围绕中心轴运动。液压摇摆台不仅可自由改变摇摆工况，而且台面可承受重量大，运行比较平稳，机械振动小；摇摆轴上的角度传感器能对摇摆角度进行实时监测，以便于对所得的数据做瞬态分析；为模拟船舶在海洋中的摇摆运动，设定摇摆台按正弦规律运动，取逆时针角度为正。为使摇摆台能自由运动，摇摆台上实验回路部分和地面上部分采用不锈钢软管相连接。

为保证不同摇摆工况下相同的入口流动工况，采用额定扬程45m的离心泵驱动水流动，气相入口处表压力保持0.1MPa。为使实验段出口条件恒定，顶端汽水分离装置通大气。汽水分离装置为横向大粗管道，气液两相有足够的空间依靠重力自然分离，气体从顶端释放到大气，液相依靠重力流回水箱循环使用。同时分离器上端大气通道处设有阀门，必要时可将顶端封闭。

为获得理想的气泡条件，汽水混合腔内均气板上均布140个φ0.5mm的不锈钢毛细管，水从侧面进入，依靠水的横向剪切作用，气泡容易形成；毛细管端面光滑，气泡大小非常接近，汽水混合腔留有足够的空间使汽水两相均匀混合；均气板拆卸方便且与混合腔独立，便于检修时对其毛细管进行清理。同时更换均气板上的不锈钢毛细管可获得入口处不同气泡大小。

如图2所示，实验段采用有机玻璃大直径圆管，内径可达100mm以上，为使测量段流动发展充分，整个实验段高度超过4m以上；实验段上下采用有机玻璃法兰16-1、16-9与回路相连接，实验段上充分发展段安装有两个压力传感器14，能对压力信号进行实时监测；上测压孔上方20mm处安装有探针驱动机构15，能驱动光学探针19沿通道径向移动，结合四通道光电转换及放大器23及光源22实现不同径向位置的局部参数测量；探针下端有观察段16-6，观察段采用有机玻璃将圆管外表面补偿成为矩形截面，以消除高速摄影时的光折射效应。

如图3所示，探针驱动机构可实现探针的精确定位及驱动，固定架15-1将整个机构与实验段固定，横向金属杆15-5作为定位装置及探针移动导轨，微型电机15-4驱动螺旋测微计15-3每转动一圈，探头沿径向位置向前推进0.1mm；19为光纤探针，15-6为压紧弹簧。探针驱动机构可实现探针径向位置远程调控，从而避免实验人员往复上下实验台，确保实验者安全。

光纤探针采用双探头或者四探头，图4所示为双探头探针示意图。探针采用多层不锈钢套管19-1、19-2、19-3和19-4，使得光纤有足够的强度抵抗机械振动，同时前端探头19-5足够细，光纤纤芯19-6为125微米，以减小对流场的干扰；探头端面与流动方向垂直，利用其端面处于气液两相不同介质时反射光强度不同实现气液两相介质的辨别。通过光电转换及放大装置的处理，探头端面处于气相和液相时接受到的信号分别对应高电位和低电位。探头端面采用专门的切割机切平，并采用超声波振动清洗端面以保证端面的清洁和平整。前后两个探头间距0.66mm，采用高倍率分度显微镜测量。

四通道光电转换器中采用Y型分光器，多级放大，信号在气液两相中的幅值倍率可调节。Y型光纤耦合器将激光等分成四组，可分别作为4个单纤探针的光源。同时耦合器将反射光等分为两组，一组进入光电转换器，经放大器后输出电信号至采集系统。光学探针信号转换放大系统最多可同时供4路光纤使用。

高速摄像系统对通道内流动特性进行记录，高速摄影仪拍摄频率为每秒6000帧，能对气泡运动特征进行记录，通过图片处理获得气泡速度，空泡份额及气泡频率等；高速摄影仪固定于摇摆台，在稳定状态下对焦，然后启动摇摆台，采集完毕后停止摇摆台，将摄影仪数据导入专用计算机进行处理。

所述的摇摆台由液压系统驱动，通过控制系统使液压驱动杆按照设定的规律伸缩运动，从而驱动摇摆台绕摇摆轴按照设定的摇摆周期和摇摆振幅左右摇摆。采用液压摇摆台不仅可以通过控制台方便的改变摇摆周期和摇摆振幅以获得所需要的摇摆工况，而且台面可承受重量大，运行过程中比较平稳，机械振动小；摇摆轴上的角度传感器能对摇摆角度进行实时监测，以便于对获得的数据作瞬态分析；为模拟船舶在海洋中的摇摆运动，设定摇摆台按正弦规律运动，取逆时针角度为正。为确保摇摆台能自由运动，台面上实验回路部分和地面上部分采用不锈钢软管相连接。

所述的混合腔底端采用均气板进气，其上均匀布置140个φ0.5mm的不锈钢毛细管，气相竖直进入混合腔，水从侧面水平进入，依靠水的横向剪切作用，确保气泡稳定的产生和脱离毛细管；毛细管端面光滑，气泡大小非常接近，混合腔留有足够的空间使汽水两相均匀混合；均气板拆卸方便且与混合腔独立，便于检修时对其毛细管进行清理；更换布置不同直径进气管的均气板，可得到不同直径的气泡，便于获得不同的入口气泡条件。

所述的实验段采用有机玻璃大直径圆管，内径达100mm，为使测量段流动发展充分，整个实验段长达4m；实验段上下采用有机玻璃法兰与回路相连接，充分发展段安装有两个压力传感器，能对压力信号进行实时监测；上测压孔上方20mm处安装有探针驱动机构，能驱动光学探针沿通道径向移动，实现不同径向位置的局部参数测量；探针下端有观察段，观察段采用有机玻璃将圆管外表面补偿成为矩形截面，以消除高速摄影时的光折射效应。

所述的高速摄像系统拍摄频率为每秒6000帧，能对气泡运动特征进行记录，通过图片处理获得气泡速度，空泡份额及气泡频率等微观量；高速摄影仪固定于摇摆台，在稳定状态下对焦，然后启动摇摆台，采集完毕后停止摇摆台，将摄影仪数据导入专用计算机进行处理。

所述的探针驱动机构可实现探针的精确定位及驱动，整个机构与实验段固定，横向金属杆作为定位装置及探针移动导轨，采用微型电机结合螺旋测微计，每转动一圈探头沿径向位置向前推进0.1mm；探针驱动机构可实现探针径向位置远程调控，从而避免实验人员往复上下实验台，确保实验者安全。

所述的光纤探针采用双探头或者四探头，探针采用多层不锈钢套管，使得光纤有足够的强度抵抗机械振动，同时前端探头足够细，以减小对流场的干扰；探头端面与流动方向垂直，利用其端面处于气液两相不同介质时反射光强度不同实现气液两相介质的辨别。通过光电转换及放大装置的处理，探头端面处于气相和液相时接受到的信号分别对应高电位和低电位。探头端面采用专门的切割机切平，并采用超声波振动清洗端面以保证端面的清洁和平整。

所述的气水分离装置能将混合物在实验段顶端自由分离，实验段顶端有横向大粗管道使得混合物流速缓慢，依靠重力作用，气相位于管道上方，液相聚集在管道下壁面，顶端开口通大气使得气相自由释放到大气中，液相则落回水箱循环使用，混合腔顶端大气通道设有阀门，必要时可关闭阀门，使实验段出口处带有一定压力。

所述的四通道光电转换器采用Y型分光器将入射光分两次等分为四组，最多可同时供四路光纤探头使用；反射光采用多级放大，从而使得输出电信号在气液两相中的幅值倍率可调节。

实验回路中还设置有储水箱、循环泵，过滤器、流量计、储气罐、空气压缩机、减压阀、压力表和多个阀门，用于提供完整的空气-水两相流动实验回路。

实验中液相质量流量由位于流量计上游的针阀调节，气相体积流量由流量计下游的调节阀调节，气相入口保持压力恒定。实验段测压孔之间压降由上下压力传感器求差得到。绝热流动中温度变化较小，采用标准温度计在出口处取样测量水温，气温按室温计算。实验按照先稳态后摇摆的顺序进行，调节气相流量和液相流量到设定的值，待流动稳定后采集光纤信号，采样频率为5000赫兹；同时记录流量和压力信号，采样频率为20赫兹。稳态试验完成后启动摇摆台，进行摇摆条件下实验参数采集，相同流量下所有摇摆工况结束后停止摇摆台，调节气液流量，重复上述步骤进行新的实验。实验过程中采用高速摄像系统拍摄，便于和探针测量结果进行对比。

所述的实验装置既可以进行稳定状态下(倾斜，竖直)实验又可以进行摇摆实验。稳态竖直实验时，摇摆台位于平横位置，倾斜实验时，将设定的倾斜角度输入控制系统，待摇摆台运动到设定的角度位置时，停止液压泵，摇摆台能很好的稳定在预定角度位置。所述的实验装置可以测定气液两相空泡份额，气泡频率，轴向界面速度，局部界面面积浓度及两相流流型等。

光纤探针方法是利用光纤探头处于气相和液相不同介质时反射光强度不同，经光电转换及放大处理后，采集到的电位高低不同来实现探头处气液两相介质的辨别。当探头处于气相时为高电位，处于液相介质时为低电位。高低电位幅值差别可通过光电转换器调节。由于光纤探针响应频率高，高低电位变化陡峭，信号识别准确可靠。

测定空泡份额和气泡频率时，只需利用一个探头的信号，一般以前端探头信号为准。通过选取合理的阈值，可以计算出测点局部高电位所占据的测量时间的份额，从而得到局部时间平均空泡份额。根据单位时间内出现高电位的次数，可以得到气泡频率。轴向界面速度和界面面积浓度测量时，需同时用到前后两个探头的信号，信号上升起始点的时间差，即界面经过前后两个探头的时间差，结合探头间距可得到轴向界面速度。根据文献(ISAO KATAOKA et al.LOCALFORMULATION AND MEASURMENTS OF INTERFACIAL AREA CONCENTRATION INTWO-PHASE FLOW[J].Int.J.Multiphase Flow，1986，12(4)：505-529.)推荐的方法，可以求出局部界面面积浓度。通过圆环微元面积加权平均后可得到平均界面面积浓度。

Claims (9)

1.摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：包括储水箱、混合腔、实验段、汽水分离装置、空气压缩机、储气罐、摇摆台、光电转换器、光源，混合腔、汽水分离装置分别安装在实验段的两端，储水箱通过管路分别连接汽水分离装置和混合腔，储气罐和空气压缩机并联后与混合腔相连，混合腔还连接摇摆台，所述的实验段上安装有光纤探针、压力传感器，光电转换器面对光纤探针布置，光源面向光电转换器。

2.根据权利要求1所述的摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：还包括探针定位及驱动机构，探针定位及驱动机构包括相互连接的横向金属杆、电机和螺旋测微计，光纤探针连接探针定位及驱动机构。

3.根据权利要求1或2所述的摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：所述的实验段上设置观察段，实验段采用有机玻璃圆管，观察段采用有机玻璃将圆管外表面补偿成为矩形截面，观察段旁设置摄像机。

4.根据权利要求1或2所述的摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：所述的储水箱与混合腔之间依次安装循环水泵、过滤器、水流量调节阀，所述的混合腔与空气压缩机和储气罐之间依次安装止逆阀、体积流量计、压力表、减压阀、空气干燥器。

5.根据权利要求3所述的摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：所述的储水箱与混合腔之间依次安装循环水泵、过滤器、水流量调节阀，所述的混合腔与空气压缩机和储气罐之间依次安装止逆阀、体积流量计、压力表、减压阀、空气干燥器。

6.根据权利要求1或2所述的摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：所述的混合腔底端采用均气板进气，均气板上设置140个毛细管，气相竖直进入混合腔，所述的均气板上的毛细管直径可变。

7.根据权利要求3所述的摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：所述的混合腔底端采用均气板进气，均气板上设置140个毛细管，气相竖直进入混合腔，所述的均气板上的毛细管直径可变。

8.根据权利要求4所述的摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：所述的混合腔底端采用均气板进气，均气板上设置140个毛细管，气相竖直进入混合腔，所述的均气板上的毛细管直径可变。

9.根据权利要求5所述的摇摆条件下两相流界面参数分布特性实验装置，其特征是：所述的混合腔底端采用均气板进气，均气板上设置140个毛细管，气相竖直进入混合腔，所述的均气板上的毛细管直径可变。

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