瞬变运动条件对竖直管内搅混流向环状流转变边界的影响研究.pdf

第58 卷第3期2024年3月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.3Mar.2024瞬变运动条件对竖直管内搅混流向环状流转变边界的影响研究马文慧1，曹夏昕1，*，谢添舟2（1.黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室，黑龙江哈尔滨150 0 0 1；2.中核集团核反应堆热工水力技术重点实验室，四川成都6 10 0 41)摘要：船舶在航行过程中处于海洋瞬变运动环境，两相流动常处于瞬变运动状态，两相流型可能与陆基条件时不同，进而影响流动传热特性，准确判别瞬变运动条件下两相流型对两相阻力和传热的计算具有重要意义。本文针对摇摆和升潜两种典型海洋运动条件，引入运动产生的瞬变外力场，构建了瞬变运动条件下搅混流-环状流转变准则，该准则也可适用于竖直向上和倾斜流动。通过静止和瞬变运动条件下实验数据对转变准则模型计算结果进行了验证，与实验结果符合很好。通过对转变准则进行分析，绘制了搅混流-环状流转变曲线，获得了运动参数对流型转变边界的影响规律。关键词：摇摆运动；升潜条件；搅混流；环状流；转变准则中图分类号：TL33doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0750Study on Influence of Transient Motion Conditions on TransitionBoundary of Churn Flow to Annular Flow in Vertical Pipe(1.Key Laboratory of Nuclear Power System&Equipment of Heilongjiang Province,2.Key Laboratory of Thermal and Hydraulic Technology for Nuclear Reactorsof China Nuclear Power Corporation,Chengdu 61004l,China)Abstract:A ship is affected by the transient ocean motion during navigation,and thetwo-phase flow is often in a transient motion state.The two-phase flow pattern may bedifferent from the land-based conditions,which may affect the flow and heat transfercharacteristics.Therefore,it is significant to accurately distinguish the two-phase flowpattern under transient motion conditions for the calculation of two-phase resistance andheat transfer.In this paper,by using a separated flow model,the momentum equationsfor the liquid film and gas core of annular flow were listed separately.Meanwhile,basedon introducing the transient external force field generated by the motion under twotypical ocean motion conditions of rolling and heaving and considering the effects of文献标志码：AMA Wenhui,CAO Xiaxinl.*,XIE Tianzhou?Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;文章编号：10 0 0-6 9 31（2 0 2 4)0 3-0 6 9 8-0 7收稿日期：2 0 2 3-10-2 4；修回日期：2 0 2 3-12-15基金项目：国家自然科学基金（119 7 50 8 5）*通信作者：曹夏昕第3期buoyancy and additional inertial forces,a transition criterion which was suitable forchurn flow to annular flow under transient motion conditions was also proposed.Thiscriterion can also be applied to vertical upward and inclined flows.The calculationresults of the transition criterion model were verified through experimental data understatic and transient motion conditions,and there is good agreement with the experimen-tal results.The results show that when the superficial liquid velocity is less thanO.35 m/s,the transition curve approximates a vertical curve,while the superficial liquidvelocity is larger than O.35 m/s,the thickness of the liquid film increases,and the axialmotion of the liquid phase plays a major role in the flow pattern transformation.Similar-ly,by comparing the calculation results of the transition from churn flow to annularflow under different motion conditions with experimental data,it can be found thatwithin the existing parameter range,the additional force introduced by rolling motionhas little effect on the continuous gas phase at the center of the channel.Therefore,although the thickness distribution of the liquid film on the wall is uneven due to theinfluence of rolling motion,the annular flow structure will not be damaged,and thetransition curve between churn flow and annular flow is basically consistent with thevertical upward direction.Moreover,with the increase of the heaving amplitude and thedecrease of the heaving period,the transition boundary curve of the churn flow towardsthe annular flow shifts to the right.This is because the additional acceleration intro-duced by the heaving increases,and the liquid film is subjected to instantaneous volumeforce in the vertical direction and oscillates periodically,making it easier to fall.There-fore,a larger gas phase apparent velocity is required to maintain a stable annular flow,so the transition boundary shifts to the right.By analyzing the transition criteria,achurn flow to annular flow transition curve is given,and the influence of motion param-eters on the transition boundary is obtained.Key words:rolling condition;heaving condition;churn flow;annular flow;transitioncriterion气液两相流的宏观运动规律及其交界面形态之间的相互作用是流体力学的主要研究内容之一 1,在气液两相流动中，相界面的变化和组合很复杂，由于气相易于压缩，相界面易于变形,因此可以构成多种不同组合的相界面并形成不同的流型。搅混流和环状流就是两种典型的流型形态。这种流型的变化会导致两相流动阻力和传热特性发生变化，在核能、热能工程等领域的系统和设备设计计算中经常需要识别不同流型形态，因此构建搅混流和环状流之间的转变准则，对于精确计算两相阻力和传热具有重要意义。几十年来国内外学者对其进行了广泛的研究，但这些研究大多在静止条件下开展 2-4。然而在水面船舶航行中，其船体内换热系统及设备内两相流动常处于瞬变运动状态，马文慧等：瞬变运动条件对竖直管内搅混流向环状流转变边界的影响研究699少量研究表明，瞬变运动条件下两相汽泡行为特性与静止时存在显著的差异 5-6 ，可以推断不同汽泡组合形成的两相流型与静止条件下也可能会存在一定的差异。因此，有必要开展瞬变运动条件下搅混流和环状流转变准则研究。本文针对摇摆和升潜两种典型海洋运动条件，引人运动产生的瞬变外力场，构建摇摆和升潜条件下搅混流和环状流转变准则，通过实验数据进行验证，并在模型中分析瞬变运动参数对流型转变边界的影响规律。1模型构建1.1摇摆运动的数学描述摇摆运动是以0 m为最大摇摆角、T为摇摆周期的简谐运动，其摇摆规律为：(7)700(t)式中:0(t)为瞬时摇摆角位移;w为角速度;为角加速度；t为时间。1.2升潜运动的数学描述升潜运动是在竖直方向上呈正弦方式运动，则有：2元t(t)=ZmsinTd(t)2元m2元tu(t)COSdtTa(t)：du(t)dt式中：(t)为升潜条件下瞬时位移，其正方向与重力加速度方向一致；u(t)为速度;a(t)为加速度；zm为升潜运动最大振幅；T为升潜周期。1.3搅混流向环状流转变准则构建典型瞬变运动条件下环状流如图1所示。图1中：D为管道直径；JG和JL分别为气相和液相表观速度；tw为壁面剪切力；ti为气液两相交界面剪切力；为液膜厚度；之为流动方向。摇摆运动时，实验段绕oy轴转动，流型观测点与轴有一个初始角度，摇摆条件下真实摇摆轴r,流动方向与竖直方向的夹角(t)瞬时变化；升潜运动时实验段沿之轴周期运动，气、液相受升潜引人的附加加速度(t)影响。a(tO图1典型运动条件下环状流示意图Fig.1 Schematic diagram of annular flowunder typical motion condition原子能科学技术第58 卷2元t典型环状流时，气相在管道中心区域聚集，(t)=OmsinTdo(t)2元0 mw(t)COSdtTdao(t)4元0 mTsindtT（4)(5)T4元2 mT2sin2元tT(6)DgJG1(1)2元(2)T2元tTwJX液相以液膜的形式环绕管壁。采用分相流模型，分别对液膜和气芯列出动量方程如下。对于液膜，有：(3)-ALdz对于气芯，有：de-t.s-pe-Aag()=0一AGdz对于稳定的环状流，则根据伯努利原理，染=,联立式(7)和式(8),有;dzd之tiS,A式中：AL和AG分别为液相和气相占据的横截面；SL和S:分别为液相-壁面和气相-液相交界面湿周，设无量纲液膜厚度=8/D,有：(St=元D,S:=元D(1-2)式中，壁面切应力Tw为：Tw=式中,UL为液相真实速度，其与液相表观速度JL的关系式为：Ur=J/(1-)环状流时，空泡份额可通过简单的数学计算得到：(1/4)元(D-28)2Q=(1/4)元D2)=(1-26)21一D壁面与液环之间的摩擦系数L表达式为fL=入L/4，对于光滑圆管，有：64/Rei.入=1 0.316 4/Rej 25式中,ReL=pLU,D/L。将式(9)(13)代人式(14),有：ti=g(t)(p-pc)D(-)(1-2)+1OLJ232(-)2(8)-(pL-pc)g(t)-TWALSL=0ReL23203 000ReL.100 000(14)1-28(15)(9)(10)(11)(12)(13)第3期气液两相交界面剪切力系数fi采用Wallis根据实验数据拟合得到的关系式?：f=0.005(1+300)则气液两相交界面剪切力t与气相表观速度J的关系式如下：(17)当液相表观速度较小时，靠近壁面的液体向下流动使液膜不稳定，从而导致人口处管道堵塞，此时Barnea7指出，对于一个给定的液相表观速度JL，存在一个最小的无量纲液膜厚度min，当液膜厚度=min时，刚好发生搅混流向环状流的转变。通过式(15)以为自变量求导，当ti一阶导数为0 时求得的液膜厚度为最小厚度，有：g(t)(pL-pc)D(1-2)2-2(-)-J-8-28=0(18)(-)3通过上式可计算得到min，再将min代人式(17)，即可求得环状流与搅混流发生转变时的气相表观速度JG。环状流时液相表面波浪从波谷向波峰移动，当液相表观速度较大时，液膜中液相轴向运动使液膜桥接导致气芯堵塞。此时环状流也会转变为搅混流,Barnea等 8 建议此时环状流的转变准则为：AL=0.5ALm-Lm式中：A为管道截面积；Lm为能够使液相桥接并阻止气相通过的最低含液量，Lm与液弹中最大气相体积份额有关，并约等于0.48 7，此时马文慧等：瞬变运动条件对竖直管内搅混流向环状流转变边界的影响研究相表观速度的关系。摇摆条件下，由于浮力分量及摇摆引入的附加力的影响，液相/气相所受体积力加速J度 51为：g(t)=gcos 0(t)+w(t)rcos 0+升潜条件下，由于升潜引入的附加力的影响，液相/气相所受体积力加速度 2 为：g(t)=g+a(t)上述搅混流-环状流转变准则同样可适用于静止条件下竖直向上及倾斜流动，对于倾斜流动,g=gcos 0;对于竖直向上流动,g=g。2转变准则模型计算结果与实验数据的对比2.1车转变准则模型计算结果与静止条件下实验数据对比图2 为本文构建的流型转变准则模型和其他模型计算结果对比，其中实验数据9 为25.4mm圆管内竖直和倾斜条件下实验结果。Hibiki等 1o1认为环状流的转变是由于泰勒气泡区液膜发生流动逆转，从图2 可看出，其在液相表观速度较小时符合较好，但当液相表观速度较大时由于通道内无法存在稳定泰勒汽(19)泡，因此符合较差；Taital 等 11认为环状流时液滴受气芯的电力刚好等于液滴的重力时发生环状流向搅混流的转变，该模型在竖直流动条件下建立，因此在倾斜条件下符合较差；Xu121认701通过式(19)可求得无量纲液膜厚度，再联立式(15)和（17），即可求解得到流型转变时气液(16)(t)rsind(20)(21)100-00搅混流环状流本文模型100Hibiki模型Taital模型Xu模型口口口10-2口口口口口口10-1100J/(m/s)图2 计算结果与D=25.4mm通道内实验数据的比较Fig.2 Comparison between calculation results and experimental data in D-25.4 mm channel106-60口搅混流环状流口本文模型100Hibiki模型口口口口口口101口Taital模型OXu模型口口0000000D口口口口口口口10-210210-1000002.000.00000100101J/(m/s)102702为空泡份额随体积份额增长发生急剧增大时出现搅混流向环状流的转变，由于其是由矩形窄缝通道内流型转变数据拟合得到的，与本文实验本体结构有显著差异，因此符合较差；本文构建的转变准则计算结果与实验数据均符合较好。从图2 可知，当气相表观速度较大时，气相在管道中心流动，液相在壁面以膜状流动，通道内为稳定的环状流，随着气相表观速度的减小，通道内环状流无法保持稳定，流型转变为搅混流。当液相表观速度较小时（JL0.35 m/s时，液膜厚度增大，此时液相的轴向运动对于流型转变起主要作用，此时液相表观速度越大，维持环状流稳定所需的气相表观速度就越大。2.2转变准则模型计算结果与运动条件下实验数据对比运动条件下流型转变实验在中国核动力研究设计院(NPIC)六自由度运动台上开展，两相工质为空气和水混合工质，实验通道为长1.1m的内径2 4mm圆管通道，实验水温2 0，压力0.2MPa，摇摆振幅10 30,周期515s,升潜振幅0.2 0.5m，周期1.6 4 5s，实验中流道在运动台中心位置，因此0=0，实验段中心原子能科学技术第58 卷处距平台1.2 m，因此有r=1.2m，实验装置具体布置见文献 13。图3为不同运动工况下搅混流向环状流转变计算结果与实验数据的对比。从图3可看出，与竖直和倾斜条件下实验结果一致，当气相表观速度较大时，通道内为稳定的环状流，随着气相表观速度的减小，流型转变为搅混流，升潜和摇摆条件转变准则模型计算结果与实验数据均符合较好。3运动条件对搅混流向环状流转变边界的影响图4为不同摇摆运动参数对搅混流向环状流转变边界曲线的影响。图4a中0 m=40和0m=60和图4b中T=2.5s曲线为模型拓展计算结果，从图中可看出，即使在模型中增大摇摆参数，搅混流向环状流转变曲线也近似不变。这是由于环状流时通道内液相很少，气相表观速度非常高且在中心聚集，即使增大运动参数，摇摆运动引人的附加力对通道中心的连续气相影响不大，因此虽然壁面液膜厚度分布会受摇摆运动影响而不均，但环状流整体结构不会破坏。升潜运动参数对搅混流向环状流转变边界的影响如图5所示。图5a中zm=1m和zm=3m的工况为模型拓展计算结果，从图中可看100(s/u)/r升潜Zm=0.2m,T-5s口境混流10口口100101JG/(m/s)品口100品口(s/u)/r口000口口口摇摆0 m-10,T-10s口搅混流10-1环状流一模型计算结果100101J/(m/s)图3不同运动条件下搅混流向环状流转变边界Fig.3 Transition boundary of churn flow to annular flow under different motion conditions100(s/ul)/口10-1二环快流一模型计算结果100101JG/(m/s)口口口100品(s/u)/口口口摇摆0.m-20,7-10s品搅混流10-1L环状流一模型计算结果100101J/(m/s)口升潜zm=0.3m,T-5s口口搅混流口口口口100(s/u)/O10-1一模型计算结果100JG/(m/s)口10%(s/u)/摇摆0 m=30,7-10s：搅混流口10-1。环状流一模型计算结果100101Jc/(m/s)口口口口口bo升潜2 m=0.5m,T=5s口搅混流口环状流口口口口101口口第3期(s/u)/r10-1马文慧等：瞬变运动条件对竖直管内搅混流向环状流转变边界的影响研究一静止竖直向上-摇摆0 m=10,T-10s-摇摆0 m=20,T-10s100摇摆0 m=30T-10s摇摆0 m=40,T-10s-摇摆0 m=60,T-10s搅混流703a摇摆0 m=20T-15s摇摆0 m=20T=10s100摇摆0 m=20,T=5s摇摆0 m=20,T=2.5s(s/u)/环状流10-1b环状流搅混流10-2L100Fig.4Effect of rolling motion parameter on transition boundary of churn flow to annular flow一静止竖直向上-升潜zm=0.2 m,T=5 s.升潜zm=0.3 m,7-5 s100-升潜zm=0.5 m,7-5 s(s/u)/r.升潜z2m-1 m,-5 s-升潜zm=3 m,T=5 s10-1L10-2L101100Jg/(m/s)图4摇摆运动参数对搅混流向环状流转变边界的影响一静止竖直向上a-升潜zm=0.2 m,T=5 s升潜zm0.2m,T-2.5 s100-升潜zm=0.2m,T=1.64s(s/u)/环状流搅混流101Jc/(m/s)搅混流10-1Fb环状流10-2L100Fig.5 Effect of ascent parameter on transition boundary of churn flow to annular flow出，在液相表观速度较小时，随着升潜振幅的增大和升潜周期的减小，转变曲线右移，而液相表观速度较大时，转变曲线基本不变。这是由于液相速度较小时，搅混流向环状流的转变是由于壁面液膜的下降导致人口处气芯被堵塞，此时随着升潜振幅的增大，升潜引人的附加加速度增大，液膜受竖直方向上瞬时体积力增大且周期性振荡，液膜更易下降堵塞气芯，因此需要更大的气相表观速度才能维持稳定的环状流。4结论1）本文构建了运动条件下搅混流-环状流转变准则模型，该预测模型同时可适用于竖直向上和倾斜流动。模型计算结果与竖直向上、倾斜、升潜和摇摆条件下实验数据进行了对比，符合较好。2）现有参数范围内，摇摆运动引人的附加力对通道中心的连续气相影响不大，因此虽然壁面液膜厚度分布会受摇摆运动影响而不均，10-2L101100Jc/(m/s)图5升潜参数对搅混流向环状流转变边界的影响101Jc/(m/s)但环状流结构不会破坏，搅混流-环状流转变曲线与竖直向上时基本一致。3）随着升潜振幅的增大和升潜周期的减小，搅混流向环状流转变界限曲线右移，这是由于升潜引人的附加加速度增大，液膜受竖直方向上瞬时体积力增大且周期性振荡，液膜更易下降堵塞气芯，因此需要更大的气相表观速度才能维持稳定的环状流。参考文献：1享郭烈锦两相与多相流动力学 MJ西安：西安交通大学出版社，2 0 0 2：10-11.2XU J J.Experimental study on gas-liquid two-phase flow regimes in rectangular channels withmini gapsJJ.International Journal of Heat andFluidFlow,1999,20:422-428.3WEISMAN J,KANG S Y.Flow pattern transi-tions in vertical and upwardly inclined lineJ.Int JMultiphaseFlow,1981,7:271-291.4HIBIKI T,MISHIMA K.Flow regime transi-704tion criteria for upward two-phase flow in verticalnarrow rectangular channelsJ.Nuclear Engi-neering and Design,2001,203:117-131.5贾辉，曹夏昕，阎昌琪，等，摇摆状态下气液两相流流型转变的实验研究 J。核科学与工程，2006,26(3):209-214,198.JIA Hui,CAO Xiaxin,YAN Changqi,et al.Experimental study on two-phase flow patterntransition in rolling tubesJ.Nuclear Scienceand Engineering,2006,26(3):209-214,198(inChinese).6HONG G,YAN X,YANG Y H,et al.Bubbledeparture size in forced convective subcooled boil-ing flow under static and heaving conditionJ.Nuclear Engineering and Design,2012,247:202-211.7BARNEA D.Transition form annular and fromdispersed bubble flow-unified models for wholerange of pipe inclinationsJ.Int J MultiphaseFlow,1986,12:733-744.8BARNEA D,SHOHAM O,TAITEL Y.Flowpattern characterization in two phase flow byelectrical conductance probeJ.Int J MultiphaseFlow,1980,6:387-397.原子能科学技术第58 卷9SHOHAM O.Flow pattern transitions and char-acterization in gas-liquid two phase flow ininclined pipesD.Israel:Tel-Aviv Univ,1982.1oJ HIBIKI T,MISHIMA K.Flow regime transi-tion criteria for upward two-phase flow in verticalnarrow 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