垂直管气液两相环状流的界面扰动波速度

在气液两相环状流中,界面波是两相间质量、动量和能量转移的重要载体,对其特性参数(波速、波频和波幅)的研究具有重要意义。首先根据气液两相流界面波分类,对其特征进行了定性描述。针对现有的界面剪切力推导了界面扰动波速度预测模型,考虑了气核中夹带液滴引起的密度增量及气核与液膜表面相对速度的影响,得到了改进的垂直管环状流扰动波速预测模型。针对工业现场工况压力较高现状,设计了基于近红外吸收衰减技术和互相关原理的界面波波速测量传感器,在五种压力(0.2~0.9 MPa)154个界面波波动速度条件下进行了实验。结果表明,改进后模型预测效果良好,相对误差在±10%左右,在不同系统压力条件下具有一定外推性。     

垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯夹带液滴,实现了对环状流局部液膜的非接触式检测。在此基础上对界面扰动波进行了频域分析,运用功率谱密度估计,对50 mm管径竖直上升管环状流界面扰动波波动频率进行了定量研究,得到0.1～0.8 MPa不同压强条件下,共70个流动条件的环状流界面扰动波频率值。利用实验结果对现有模型进行验证分析,在此基础上利用Strouhal数描述液相流动条件的影响,利用Froude数描述气相流动条件的影响,建立了预测环状流界面扰动波波动频率的St-Fr模型,经实验数据验证预测的平均绝对误差（MAE）为11.42%。     

垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯夹带液滴,实现了对环状流局部液膜的非接触式检测。在此基础上对界面扰动波进行了频域分析,运用功率谱密度估计,对50 mm管径竖直上升管环状流界面扰动波波动频率进行了定量研究,得到0.1~0.8 MPa不同压强条件下,共70个流动条件的环状流界面扰动波频率值。利用实验结果对现有模型进行验证分析,在此基础上利用Strouhal数描述液相流动条件的影响,利用Froude数描述气相流动条件的影响,建立了预测环状流界面扰动波波动频率的St-Fr模型,经实验数据验证预测的平均绝对误差(MAE)为11.42%。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15~35 m/s、液相表观流速0.1~0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15～35 m/s、液相表观流速0.1～0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

气液螺旋环状流压降特性研究

考虑旋流衰减的影响,对气液螺旋环状流的压降特性进行研究并推导出了螺旋环状流压降预测模型。定义压降旋-直比系数为气液两相螺旋环状流和气液两相直流的压降之比,以此来表征旋流衰减对压降的影响。基于量纲分析的方法对压降旋-直比系数进行分析,推导出其表达式,压降旋-直比系数依赖于Lockhart-Martinelli 参数和气相Froude数变化。最终,得出了气液两相螺旋环状流的压降预测模型。在50 mm内径的水平管内对螺旋环状流的压降特性进行了实验研究,其中气相表观流速变化范围为10~16 m/s,体积含液率（LVF）变化范围为0.6%~4.8%。通过与实验数据进行对比,压降预测模型的相对误差在±15%以内,为工程应用提供了参考。     

水平矩形管内气液两相流界面波特性

<正>气液两相流中界面波的存在对传热、传质、阻力特性及稳定性都有很大影响。前人有关界面波的研究大多偏重于两相流中界面波的类型及其转变,而对其特征参数变化规律(如振幅、波长、频率和速度等)的研究则很少。但界面波对气液两相流流动阻力和流动结构影响机理的深入研究必须以了解界面波的各特性参数为前提,同时界面波有关特性参数的深入研究也可为气液两相流的数学理论化提供实验基础。 本文以气、水为工质,系统研究了水平矩形管内气液两相流的界面波特性。根据界面波在时域、幅域内的不同特征区别出了各种类型的波并给出了相应的波形和流型图。着重研究了界面波各特征量随气液两相流量变化的变化规律。     

水平微翅管内环状流两相强制对流蒸发换热的计算模型

对水平微翅管内的环状流流动和换热特性进行了分析.考虑微翅管内环状流液膜中的扰动和二次流的作用,借用粗糙管速度分布和摩擦相似函数建立了水平微翅管内环状流两相强制对流蒸发换热系数的预测模型.理论计算值与实验数据相比较,结果较令人满意.     

微通道气液两相流型及界面面积测定

以氢氧化钠水溶液及纯二氧化碳气体为工质,研究了石英玻璃微通道中的气液两相流流型及两相界面面积.实验中可清晰分辨的流型为弹状流(Slug),弹状-环状流(Slug-annular)及搅拌流(Churn),由实验观测的结果建立了相应的流型图并与Triplett实验结果进行了比较,结果表明高液相表观流速对流型转换影响较大.在微通道中可以实现比较高的气液两相界面面积,实验范围内气液两相界面面积高达5 070 m2/m3.两相界面面积随气相表观流速的增加而增加,而液相表观流速对两相界面面积的影响则不显著.相对于弹状流区域,在弹状-环状流及搅拌流区域可以实现比较高的传质界面面积.搅拌流区域气液两相界面面积可以采用气液表观雷诺数进行很好关联,其绝对平均偏差仅为3.76%.     

垂直管内两相流流型的实验研究

为正确预测气井井筒气液两相流动规律,在多相流实验平台上开展了不同管径(28、60 mm)和不同压力(0.10、0.50 MPa)下空气/水两相流流型实验,利用高速摄像机再现了泡状流、段塞流、搅动流和环状流的流型结构和过渡现象,绘制了实验流型图,对比了管径、压力对流型过渡的影响以及分析了环状流形成与液滴夹带的关系,在气液两相流实验的基础上,以环状流形成过程为例,从流型的物理现象着手,对环状流形成的机理进行了定义和数学建模,从而建立了产液气井两相流流型转变组合机理模型。将该组合机理模型和不同管径、不同压力下的实验结果进行对比,发现新模型均能正确预测各流型间的转变条件,具有一定的通用性。     

气液界面摩擦因子对分层流向段塞流过渡的影响

根据气液两相流段塞稳定性理论,结合分层流理想化模型,对直径2.54 cm水平管内空气-水两相流出现段塞流时的各相临界表观速度和临界液层高度进行了理论预测,并且分析了气液两相界面的摩擦因子对于预测流型转变的影响.由于在不同的气相流速范围内,段塞流由不同形式的界面波形成,当气相表观速度小于 4 m(s(1时,由大振幅波形成段塞流,而当气相表观速度大于 4 m(s(1,段塞流由小波长的滚动波合并而成,因而根据实测数据对界面摩擦因子的计算进行了补充修正,并且应用到对应的气相流速范围.基于所给出的计算方法解得发生分层流向段塞流转变的临界表观速度和临界液层高度,并和实验数据进行了比较. 结果表明所做的修正可以避免以往理论预测中出现的低估情况,求得的各临界特征参数值和实验结果吻合得较好.     

Detection and analysis of transition from annular to intermittent flow in vertical tubes

In vertical co-current gas-liquid flow, the transition from annular to intermittent flow occurs when gas core becomes interrupted by liquid bridges due to the instability of the interfacial capillary waves. An analytical model is formulated to explain the liquid bridging in terms of the growth of finite amplitude interfacial capillary waves. Experimental results show that the longest wave length, which is associated with the transition, is about eight times the wave length of waves moving with the velocity of the liquid film.     

环形狭缝通道内气液两相环状流流动特性

建立了环形狭缝通道内气液两相环状流的理论模型 ,该模型计及环状流气芯流动的可压缩性、气液两相间的相滑移、气相对液滴的夹带作用等因素 .考察了两相流质量流量和干度对压降、液滴速度相对变化和狭缝喉部气芯通流面积的影响 .用建立的理论模型对空气 -水两相环状流通过环形狭缝的两相压降进行预测 ,预测值和试验值吻合良好     

Interfacial Friction Factor Prediction in Vertical Annular Flow Based on the Interface Roughness

Correlations for the interface roughness are proposed for conditions without or with disturbance waves for vertical annular flow. The decisive role of interface roughness in the interfacial friction factor is specified through a comparison of ten correlations for the interfacial friction factor with an experimental database. The effect of the disturbance wave on the interface roughness is analyzed to figure out the influence parameters, which are the superficial gas and liquid Reynolds numbers for conditions without disturbance waves and gas core and liquid film Reynolds numbers for conditions with disturbance waves. The proposed correlations improve the prediction precision of the interfacial friction factor, especially in smooth and transitional regimes.     

大流量下倾斜管气液两相流实验研究

在较高的气液范围内,以水和空气为实验介质,在多相流实验平台上进行了倾斜向上的高产量气液两相流模拟实验研究。实验采用内径为40 mm、长8 m的透明有机玻璃管,并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。对实验流型进行分析,发现了倾斜管中低气流速下的一种新的流型-振荡冲击流,并研究了表观气、液流速和倾斜角对气液两相流动中压降的影响,建立气/液膜流动模型来分析表观气、液流速对压降梯度的影响作用,实验研究结果表明:在高气液量范围内,倾斜管中观察到的气液两相流型主要为振荡冲击流、过渡流和环状流,并且倾角对流型转变边界的影响不显著;振荡冲击流压降随气流速的增加而降低,环状流压降随气流速的增加而增加,过渡流压降梯度最小;倾斜管压降梯度随着倾斜角度的增加而增大。     

利用一维波和段塞稳定性模型预测分层流向段塞流的转变

利用气液二相流一维波模型和段塞稳定性模型,对直径2.54 cm水平管内空气-水二相流出现段塞流时的各相临界表观速度和临界液层高度进行了理论预测。计算中发现,2种模型分别适用于不同的流速区域,在较低的气相流速下,一维波模型的预测结果比较理想,但是在较高的气速条件下不太适合,而利用段塞稳定性模型可以较好地获得高流速下分层流向段塞流的流型转变条件。因此,结合这2种模型对发生流型转变时的临界参数作了分析,并且应用于40 mm和50 mm水平管道的油气二相流实验。将理论计算的结果和实验测得的流型数据进行了对比,并且对影响流型的管径、流速等因素作了分析,结果表明计算得到的特征参数和实验数据比较吻合。     

起爆方式对杆式弹丸成型和穿甲的影响

用LS—DYNA软件模拟了中心点起爆、平面起爆和环形起爆方式下所形成的爆轰波波阵面、压力场及杆式弹丸的外形和速度分布。结果表明,平面起爆和环形起爆方式下形成的爆轰波对药型罩的压垮角小而压垮速度大,最终所形成的高速杆式弹丸速度和长径比都优于中心点起爆。采用实验方法研究了中心点起爆、环形起爆和三点同时起爆以及不同起爆半径对高速杆式弹丸的速度和穿甲能力的影响。实验结果表明,环形起爆和三点起爆后的弹丸速度和穿甲深度明显优于中心点起爆,大环起爆优于小环起爆,但对弹丸形状和穿孔孔径影响不明显。     

A prediction model for the critical gas velocity and pressure gradient of continuous liquid-carrying in inclined pipes

A generic model for the prediction of critical gas velocity and pressure gradient in slightly inclined pipes (β ≤ 6°) is presented in this article. The gas–liquid configuration was determined based on the minimum energy principle and consideration of wettability and surface tension. A visualization experiment was conducted to obtain the critical gas velocity and the critical pressure gradient of a gas–liquid flow through the 40 and 60-mm pipe diameter. The theoretical study shows that the configuration is close to a convex interface shape at the critical conditions, which is in accord with the experimental phenomenon. Experimental study shows interfacial waves are the main cause of increased interfacial friction factor and a linear functional relationship between the inclination angle and the flow correction factor f(β). The results demonstrate that the new model is capable of providing satisfactory prediction results for the critical gas velocity, pressure drop, and liquid holdup.