小直径管内垂直向上流动的流型研究.pdf

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@lsbu.ac.uk ** 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 [1-3] 中扮演着重要角色 ；其次，尽管一些小直径管中表现出的常见特性已经被很 [4-6] 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 。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 [7] 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 ，他 们发现，约束系数 Co0.5 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Eö1 时，表面张力作用强于其他力。Triplett et al.[9]提出在 Eö100 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 [10] 当显著 。 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]