垂直管内弹状气泡上升中壁面传递的实验研究

垂直管内弹状流壁面传递是诸多工业应用中需研究的重要问题之一。今用极限扩散电流技术,对弹状气泡上升时瞬时壁面剪应力和传质系数进行了测定,结果显示:当基于表观气速的Froude数FrG < 0.74时,壁面剪应力随弹状气泡和液塞的到来呈现方向相反的交替变化,壁面传质系数亦相应变化;而当FrG > 0.74时,剪应力方向一直向下,说明液膜向下流动,且弹状气泡和液塞的到来对壁面传质系数的影响很小。这说明下落液膜射流穿透了液塞段,控制了整个壁面传递过程。研究还对下落液膜区、尾迹区及液塞段的不同传递特征及机理进行了分析, 并结合气泡塔熔融结晶器中弹状气泡上升时的传热,对结晶操作条件的合理选择进行了讨论。     

下倾管段塞流液塞速度特性研究

为探究段塞流液塞在下倾管中的耗散规律,利用段塞产生器和电导探针数采系统对液塞的速度演变规律进行了试验研究。结果表明:液塞在下倾管运动过程中由于液塞前方气泡渗入将发生耗散,当耗散作用明显时,液塞速度减小;液塞初始长度、下倾管倾角和表观气速对液塞耗散程度的影响体现在液塞形态改变和液塞速度上:液塞初始长度大或表观气速小时,液塞速度慢,利于耗散;倾角大时,液塞速度较快,但液塞形态变化大,综合而言,液塞耗散受形态变化影响更大;液塞尾部速度总是大于头部速度,且差值随液塞初始长度和表观气速的增大而增加;相同表观气速下,液塞头尾速度差值越大,液塞耗散越快,且耗散主要发生在头部。     

下倾管液塞耗散中长度特性研究

为研究下倾管内液塞耗散规律,建立了一套包含段塞产生器和电导探针数采程序的气液两相流试验系统,探究了下倾角度、表观气速、初始液塞长度对液塞耗散的影响规律。结果表明:下倾管中的液塞耗散不是一个均匀过程,而是在进口和出口处耗散多,中间位置耗散少。大初始液塞长度、大下倾角度和小表观气速有利于下倾管中的液塞耗散。相同倾角下,表观气速和初始液塞长度影响停留时间,总液塞耗散量与停留时间基本呈线性递增关系。下倾角度相较停留时间对液塞耗散影响更大,下倾角度大时,液塞停留时间短,但刚进入下倾管就会发生较大形态改变,从而加速液塞在下游的形态改变,促进液塞耗散;反之,液塞形态变化小,耗散少。     

用统计方法研究未充分发展弹状流动

在一内径19 mm、长2 m的垂直有机玻璃管内,采用自制的电导探针对未充分发展的气-液二相弹状流中的弹状气泡上升速度、液塞上升速度、弹状气泡长度和液塞长度进行了测量。得到了各自随表观气速或表观液速的变化规律。结果表明:在未充分发展的弹状流状态下,弹状气泡的上升速度略高于液塞的上升速度:弹状气泡长度随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小。文章对弹状气泡长度进行了统计分析。未充分发展弹状流中弹状气泡长度符合正态分布律。     

垂直及倾斜上升管内气液两相弹状流壁面切应力的模拟

用VOF模型对垂直及倾斜上升管内弹状流壁面切应力进行数值模拟。计算结果表明,垂直上升流动时,液膜厚度始终小于对应位置倾斜上升弹状流的液膜厚度,壁面切应力从气弹头部至尾部逐渐增大至恒定不变,在尾流区呈杂乱无章状态。倾斜上升流动时,气泡头部顶点偏向管中心线上方,倾角越小,相同轴向位置处测得的液膜厚度越大。当FrTB较小时,倾斜管内弹状流上管壁面的切应力曲线在液膜区有明显波动,而下管壁面在对应区域的切应力分布则比较光滑。随着FrTB的增大,上下壁面切应力分布曲线越来越靠近。     

倾斜上升气液弹状流动空隙度分布的实验研究

引言管内气液混合物的流动是复杂的流动现象,未知的易变形界面的存在与运动将对气液流场产生重大的影响．这些运动界面在管内以各种不同的方式分布,其形式主要取决于气相和液相的流量、流体物性以及管子的直径和倾角,其中管倾角的影响非常重要．一旦管子不垂直,Taylor气泡将失去对称性,即使倾角很小,重力的径向分量会使得气液界面结构由轴对称的环形转变为与分层流型相似;同时小气泡受浮力的作用也会聚集在管上壁,从而表现出与垂直上升流动完全不同的特征．以往的研究多是针对垂直上升流动和水平流动,而对管内倾斜上升气液弹状流…     

下倾管段塞流液塞速度波动特性

为了发现下倾管中段塞流液塞速度波动规律,在模拟装置上对段塞流进行了试验研究,并利用分形理论对液塞速度波动特征进行了研究。结果表明:液塞平均速度随管线下倾角1—4.5°的改变没有明显变化,但液塞最大速度和液塞速度波动幅度随着下倾角的增大而增大。气液相混合速度增加,液塞速度波动的混沌程度增大,并且液塞速度波动对初始条件的敏感程度越强。管线下倾角越大,液塞速度波动受气液相混合速度的影响越小。     

上升管系统中严重段塞流的液塞速度特性

在海洋石油开采过程中,在较低的气液流速下上升管系统中易产生严重段塞流,其特点是压力波动剧烈、气液相流量变化大,并会带来多种危害。本文对上升管系统中严重段塞流四个阶段的液塞速度特性进行了深入地研究。结果表明：在液塞形成阶段,液塞速度随气液相折算速度的增大而线性增大;当气、液相折算速度恒定时,液塞速度随下倾管倾角的增大而稍有增大。在液气喷发阶段,液体在上升管中变加速流动,当液塞尾部到达上升管顶部时,速度达到最大值,液塞尾部到达上升管顶部时的瞬时流量远大于液塞流出阶段的液塞流量。气液相折算流速较小时液塞喷发过程更剧烈。     

微通道内气-液弹状流动及传质特性研究进展

气-液弹状流,又称Taylor流,是一种以长气泡和液弹交替形式流动的流动形态。微通道内气-液弹状流因其气泡与液弹尺寸分布均一、停留时间分布窄、径向混合强等优点,是一种适于强化气-液反应的理想流型。本文首先介绍了微通道内气泡的生成机理、气泡和液弹长度,以及气泡生成阶段的传质特征。其次系统综述了主通道中弹状流动及传质过程的研究进展,包括气泡形状与液膜厚度、液弹内循环和泄漏流特征、气-液传质系数的测量与预测,以及物理与化学吸收过程中的传质特性等方面内容。最后阐述了当前研究的不足并展望了气-液弹状流的研究方向。     

低温气液两相弹状流动中Taylor气泡的统计特征?I. Taylor气泡长度

为了研究倾角(q)和管径对低温气液两相流中Taylor气泡长度分布规律的影响,在6种管路倾角下,以液氮为工质,使用高速相机对4种内径透明抽真空Pyrex玻璃管内的弹状流动进行了可视化实验. 结果表明,低温弹状流动中Taylor气泡长度分布的统计特征可由对数正态分布函数描述,Taylor气泡长度分布的标准偏差受到液膜射流直接影响,并随q减小先增大后减小. Taylor气泡无量纲平均长度随管路轴向位置增大而线性增加,随管路内径增加呈指数下降趋势,随q减小而增大,最小值出现在70o≤q≤90o.     

Hydrodynamic characteristics of gas-liquid slug flow in a downward inclined pipe

Gas-liquid slug flow in a downward inclined pipe was studied experimentally by employing a wire-mesh sensor that enables quantitative measurements of the cross-sectional void fraction distribution. Processing of the wire-mesh sensor data was applied to carry out a statistical analysis of characteristic parameters of downward slug flow, such as bubble and liquid slug length distributions, as well as to determine the ensemble-averaged shapes of the bubble nose, liquid film and bubble tail. It was found that the pipe inclination affects mainly the bubble length, while variation in the gas flow rate affects both bubble and slug length. The bubble nose shape is more sensitive to the flow conditions than the bubble tail. The 3D structure of an elongated bubble in downward slug flow was reconstructed from the wire-mesh sensor data.     

倾斜窄矩形通道中气弹运动速度

利用高速摄像系统,对4种倾角下窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内弹状流进行了可视化研究。实验中发现,低流速时,倾斜条件下,由于浮力的影响,气弹头部偏离管道中心,头部变尖,因而气弹运动速度加快,系数C₀随倾角增加而减小,漂移速度V₀呈相反变化趋势;高流速时,流动趋于稳定,倾角对气弹速度影响不显著,对C₀和V₀影响较小。通过实验数据评价了竖直条件下4种气弹速度计算关联式。以Froude数3.5为界,分别提出了倾斜条件下C₀和V₀计算关联式。     

倾斜上升弹状流中Taylor气泡运动速度研究

用高速动态分析仪对倾斜上升管中气液两相弹状流中Ｔａｙｌｏｒ气泡的运动速度进行了研究。获得了无干扰流场下Ｔａｙｌｏｒ气泡运动参数的测量结果，并分析了混合物流速及管倾角对气泡头部位置的影响，以及由此而引起的气泡漂移速度及液体速度影响系数的变化情况，在理论分析的基础上，推荐了计算气泡运动速度的实验关联式。并且与可利用的结果进行了比较，两者符合较好。     

下倾管中活塞流液塞长度波动特性

通过采集下倾管中活塞流的差压信号,应用互相关法分析得到液塞长度时间序列.利用统计理论与分形理论分析液塞长度时间序列来揭示液塞长度波动特性.结果表明：气相折算速度对液塞长度的影响远大于液相折算速度.液相折算速度较大时,随着混合速度的增加,液塞长度波动的混沌程度增加;而液相折算速度较小时,随着混合速度的增加,液塞长度波动的混沌程度减小.在管线下倾角较大的情况下,液塞长度分布集中在较小的范围内.管线下倾角越大,液塞长度波动的长程相关性越好.     

倾斜管内低温液弹和Taylor汽泡的长度分布

An experimental study was carried out to understand the phenomena of the boiling flow of liquid nitrogen in an inclined tube with closed bottom by using a high speed motion analyzer.The experimental tube is 0.018 m ID and 1.0 m in length.The range of the inclination angle is 45°-90° from the horizontal.The experiment focused on the effect of the inclination angle show that the mean liquid slug length and Taylor bubble length increase with the increasing x/D at various inclination angles.At the same x/D,the mean liquid slug length and Taylor bubble length increase first,and then decrease with decreasing inclination angles,with the maximum at 60°.In the vertical tube,standard deviation of the nitrogen Taylor bubble length increase with the increasing x/D.For the inclined tube,standard deviation of the nitrogen Taylor bubble length increases first,and then decreases with the increasing x/D.Standard deviation of the liquid slug length increases with increasing x/D for all inclination angles.     

Evolution of hydrodynamic and statistical parameters of gas-liquid slug flow along inclined pipes

The development of slug flow along two long inclined pipes (2-90° from the horizontal) with internal diameters of 0.024 and was measured by three optical fiber probes. The probes were located in a measurement module at axial distances of between the fiber tips. To measure the evolution of slug flow, the module was placed at different positions along the pipe. Instantaneous elongated bubble velocities and corresponding elongated bubble and liquid slug lengths were determined by processing the optical probe signals. The evolution of the liquid slug and elongated bubble length distributions along the pipes is characterized by a gradual growth of the mean and mode values. The growth rate decreases with decreasing inclination. Mean elongated bubble lengths have a minimum at about 60°, while mean liquid slug lengths decrease slowly with decreasing inclination angle. The coalescence rate, defined as the decrease in the ensemble size, becomes almost negligible at x/D>60, independent of pipe diameter, flow rates and inclination angle. The slug frequency has a maximum at about 60° inclination.     

Velocities of extended bubbles in inclined tubes

The velocities of extended bubbles (slug flow bubbles) have been measured in inclined circular tubes. Eötvös numbers ranged from 4.9 to 490 and Morton numbers from 2.2 × 10⁻¹¹ to 1.5 × 10⁴. The Froude number for any angle of inclination was correlated as a function of angle and the values of the Froude numbers for the horizontal and vertical orientations.     

下倾管段塞流液塞频率波动的非线性分析

利用非线性分析技术中的分形理论,在长24.73 m、内径0.05 m的小型气液两相流实验装置上对下倾管空气-水段塞流中的液塞频率波动特性进行了研究.结果表明,液塞频率的波动是对初始条件敏感的混沌振荡,遵循分形统计规律,具有持久性.折算液速小时,液塞频率波动的长程相关性随着混合速度的增大而减弱,液塞频率波动对初始条件的敏感程度增强,折算液速较大时则相反.管线倾角越大,液塞频率对初始条件的敏感程度受混合速度的影响越小.折算液速和混合速度均较大时,液塞频率的混沌程度受管线倾角的影响较小.     

水平管内多孔板后的气液两相流型可视化实验

多孔板后是否形成均匀分散的泡状流流型是影响多孔板废气吸收装置吸收效果的关键因素。以空气和水作为两相介质,对气液两相混合物在水平管内流经多孔板后形成的流型进行实验。通过孔径分别为2、3、4、5 mm的4只多孔板在内径98.5 mm水平有机玻璃管内的可视化流动及高速摄像,研究了孔径大小、气相流量变化及液相流量变化对多孔板后流型的影响规律。实验结果表明：水平管内插入多孔板后,分层/塞状流转变边界向液相流量增大方向推移,塞状/泡状流转变边界向液相流量减小方向推移;随气相流量减小或液相流量增大,多孔板后流型趋于形成泡状流;孔径大小对多孔板后流型具有重要影响,减小孔径使塞状/泡状流转变边界移向更大气相流量和更小液相流量,即形成泡状流的两相流量范围增大;随孔径减小,孔板后流型趋于由分层流直接过渡至泡状流,塞状流趋于消失。为保证多孔板吸收装置的良好流型和吸收效果,建议多孔板孔径不大于3 mm。