气液两相流流型实验报告

气液两相流流型实验报告

实验名称：气液两相流流型

实验目的：

1. 熟悉台架,掌握流量测量仪表的使用；

2. 掌握常见两相流流型的划分方法及相关规律，观察水平管中不同流型的特点；

3. 根据各工况点实验数据绘制两相流流型图，并与典型流型图做比较。

实验任务：

实验测量数据：

,,,.

(1) 测取不同情况下气相，液相流量；记录P P t t

w

气减室

(2) 判别流型

要求：

(1) 实验数据汇总表；

(2) 绘制αβ

-曲线

(3) 根据实验数据用Weisman图判别流型

实验原理

1、水平管道中气液两相流流型的划分及各流型特征

在水平管道中的气液两相流，由于重力影响使流型结构呈现不对称性，因而水平管中的流型特征变得较为复杂。Oshinowo流型划分原理使流型变得相对简单，根据Oshinowo的划分原则，一般把水平管道中的流型划分为六种，泡状流、塞状流、层状流、波状流、弹状流、环状流。

（1）泡状流

在泡状流中，气相是以分离的气泡散布在连续的液相内，气泡趋向于沿管道上半部流动，这种流型在含气率低时出现。

（2）塞状流

在塞状流中，小气泡结合大气泡，如栓塞状，分布在连续的液相内，大气泡也是趋向于沿管道上部流动，并且在大气泡之间还存在一些小气泡。

（3）层状流

在层状流中，两个相的波动被一层较光滑的分界面隔开，由于重力和密度不同，气相在上部液相在下部分开流动。层状流只有在气相和液相的速度都很低时才出现。

（4）波状流

当气流速度增大时，在气、液分界面上掀起了扰动的波浪，分界面由于受到沿流动方向的波浪作用而变得波动不止。

（5）弹状流

当气体流速更高时，分界面处的波浪被激起与管道上部管壁接触，并形成以高速沿管道向前推进的弹状块。

（6）环状流

当气体流速进一步增高时，就形成气核和环绕管周的一层液膜，液膜不一定连续均匀的环绕整个管周，管子的下部液膜较厚，在气芯中也夹带有液滴。

表1水平绝热管中的流型变化

A表示环状流（annular）；B表示气泡（bubble）；

BTS表示中空气弹（blow through slug）；D表示液滴（droplet）；

F表示液膜（film）；IW表示平缓波（inertial wave）；

LRW表示大翻卷波（large roll wave）；PB表示气栓加气泡（plug＆bubble）；PF 表示气栓加泡沫（plug＆froth）；R表示涟漪波（ripple）；

RW表示翻卷波（roll wave）；S表示气弹（slug）；ST表示层状流（stratified）。

2、典型流型图介绍

（1）Baker流型图

（2）Weisman流型图

3、两相流流型的测量方法

（1）目测法

在一个透明或有观察孔的流道内形成两相流，直接观察管道内的流动状态。这种方法比较简单、经济、直接、方便；但无法做出高速、实时、自动的测量，对于自动化要求比较高的场所很难适应，而且不同的观察着可能得到不同的结果。

尽管如此，目前其它的流型识别方法最终几乎都要和目测结果做比较来验证识别结果的有效性，这也说明了目测法是流型识别方法中最可靠的方法之一。

（2）高速摄影法

采用照相机或摄像机，通过透明管或透明窗口拍摄流体的流动状态，利用计算机分析拍摄到的流体图像与目测法观察到的典型流型图像比对，从而确定流型。

这种方法特别适合气液两相高速流动状态下流型变化速度快的情况。但存在两个问题：一是两相流复杂的相界面，易产生多重的反射或折射，影响成像的清晰度，妨碍对流道中心的观察；二是由于采用高速摄影，得到的数据信息太多，使分析变得非常的复杂。

（3）射线衰减法

射线衰减法又分为X射线衰减拍片法、多束射线密度法、空泡份额测定法。三种方法的原理都是利用射线通过介质时吸收衰减的原理确定流型的。

X射线衰减拍片法：在管道的一侧安装一个X射线源，另一侧安置照相底片，X射线穿过管壁及两相介质，到达照相底片。由于两相介质分布的不同，对X射线的吸收也不同，使底片产生不同强度的观光，从而得到管道内流体的流型。

多束射线密度法：让射线沿不同的弦线穿过管道截面，并且在响应的位置安装辐射监测器，如闪烁计数器、G-M计数管等，根据测得的辐射强度，利用一些公式来求出各条弦线的密度，进而确定管道中的流型。

空泡份额测定法:当X射线通过流体，流体对射线的吸收率随瞬时密度的增大而增加（即随着瞬时空泡份额的增大而对射线的吸收率减小）。检测器输出的信号被转换为代表瞬时空泡份额的信号，然后对信号进行分析，即可得到空泡份额的概率分布，从而确定流型。

（4）接触式探头法

接触式探头法又可分为电导探头法和光导探头法。

电导探头是通过测量探头针尖处流体导电性的变化来确定该点的介质分布，进而确定流型。使用电导探针的基本条件是，两相流中的气相和液相的电导率必须有明显的差别，同时连续相必须是导电的。

光导探头的测量是通过流体在探头针尖处对光强度的影响来反映在该点的介质分布，进而确定流型。

（5）过程层析成像法

过程层析成像技术是20世纪80年代中期发展起来的，是一种以两相流或多相流为主要对象的获取过程参数三维分布状况的在线实时监测技术。通过对重建图像信息的分析以及不同时刻下重建图像信息的比较，获得被测两相流管道某一截面上的两相流分布状况。

过程层析成像法又分为电容层析成像法、电阻层析成像法两种。

电容层析成像法：不同的两相介质具有不同的介电常数，通过电容传感器测量获

得介电常数分布从而获得介质分布的图像，来确定流型的。

电阻层析成像法：是基于不同的流体具有不同的电导率，判断出处于敏感场中的物体电导率分布，便可知道物场的流体分布情况。 （6）压差波动法

压差波动法是通过采集气液两相流动的压差信号，并对压差信号进行统计分析的流型识别方法。

4、根据各工况点的实验数据计算：

气相折算流速 g

g V j A =

液相折算流速 f

f V j A =

A =2/4d π 式中：

g V —气相体积，m 3/s ； f V —液相体积，m 3/s ；

A —管道截面积，m 2； d —管道直径，25mm 。 （1） Baker 流型图

以/g g j ρλ?为纵坐标，f f j ρψ??为横坐标绘制Baker 流型图。

横坐标修正系数1/2

()()g f a w ρρλρρ??

=????

纵坐标修正系数1/3

2()()()w f w w f σμρψσμρ??

=????

式中：

w σ—大气下20℃水的表面张力，0.07N/m ；

w μ—大气下20℃水的动力粘度，0.001Pa ·s ； w ρ—大气下20℃水的密度，1000kg/m 3； a ρ—大气下20℃空气的密度，1.206kg/m 3。

（2） Weisman 流型图

以1/g j ?为纵坐标，2/f j ?为横坐标绘制Weisman 流型图。 本实验11?=，22?=。

实验步骤及方法：

1、实验条件：

常压，温度25℃；

管径d=25mm；

液相流量范围0-10.5m3/h，气相流量范围0-12 m3/h。

2、实验步骤：

1、开启空气压缩机；

2、开启两相流实验台；

3、确定水流量，由小到大改变气流量并记录数据及流型；

4、整理记录的数据，并根据数据绘制两相流流型图；

5、将绘制的流型图与典型的流型图做比较。

3、实验方法：目测法

实验数据记录及处理

1、实验数据汇总：

3/h

2、实验数据处理：

根据实验原理，对以上实验数据做如下处理：

0.1MPa ，25℃时，液相密度997f ρ=kg/m 3；气相密度 1.155g ρ=kg/m 3；液相表面张力0.072σ=N/m ；液相动力粘度6890.0810μ-=?kg/(ms)

3、绘制两相流型图

根据实验数据绘制的Baker流型图、Weisman流型图如图2、图3所示：

01234567

89101112ρf*jf*φ(kg/（m 2s）)

ρg *j g /λ(k

g /（m 2s ）)

图2 Baker 流型图

12345678910j g /φ1（m /s ）

jf/φ2（m/s）

图3 Weisman 流型图

实验结果与误差分析

观察实验观测流型所绘流型图，与经典Baker 流型图、Weisman 流型图比较发现：本实验绘制的流型图有误差，由于只观察到7种流型且流型区域边界不清

晰，没有观察到分层流，液相流量低时也未见泡状流，波/弹流及环状流区域较大等。

分析误差产生的原因有以下几方面：

首先：

（1）浮子流量计记录流量不准确，在同时调整液相和气相流量时，二者会相互干扰，产生波动，特别是我们试验中观察到当液相流量份额特别大时，甚至于有水进入到气相的流量计中影响气相流量的读取。

（2）调节流量的阀门口会有气体进入或液体流出这些都表明阀体密封不严。（3）实验段的水平管有一定的倾斜角度，使流体的流速发生变化，流型不稳定。（4）水泵压头低，流量不足，流型不完整。

这些都造成流量不稳定，进而使流型不稳定，产生客观实验误差。

其次：

用目测法判断流型时，有视角误差；在流速很快时有些交叉流型更加难于判别，加之试验中采用人员轮换记录流型而不同人对于同一复杂流型判断可能也不一样，这些势必会带来人为判断误差。

实验心得和体会

通过本次实验，加深了对两相流的认识和学习，对两相流的流型有了较深的认识。。熟悉了两相流型类型以及水平绝热管中两相流体的流型变化。学会了实验数据处理方法，学会了制作两相流图形，对经典Baker流型图、Weisman流型图的流型划分以及各种流型的转化有了进一步的理解。