气液两相流液滴群撞击法湿度测量实验研究

第３６卷第２３期　６４３２　２０１６年１２月５日　中国电机工程学报　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆｔｈｅ　ＣＳＥＥ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．２３　Ｄｅｃ．５，２０１６　

￣２０１６　Ｃｈｉｎ．Ｓｏｃ．ｆｏｒ　Ｅｌｅｃ．Ｅｎｇ．　ＤＯＩ：１０．１３３３４￣．０２５８—８０１３．ｐｃｓｅｅ．１６０４５２　文章编号：０２５８．８０１３（２０１６）２３．６４３２．０９　中图分类号：ＴＫ２６１　

气液两相流液滴群撞击法湿度测量实验研究　张智慧，高铁瑜，李皓瑶，王贤勇，李军　（西安交通大学能源与动力工程学院，陕西省西安市７１００４９）　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｗｅｔｎｅｓｓ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｇａｓ・－ｌｉｑｕｉｄ　Ｔｗｏ—－ｐｈａｓｅ　Ｆｌｏｗ　Ｄｒｏｐｌｅｔ　Ｃｌｕｓｔｅｒ　Ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ　ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｉｈｕｉ，ＧＡＯ　Ｔｉｅｙｕ，ＬＩ　Ｈａｏｆａｎ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｎｙｏｎｇ，ＬＩ　Ｊｕｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４９，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｗｅ、ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａｎ　ｉｄｅａ　ｔｈａｔ　ｂｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｄｒｏｐｌｅｔ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ　ｆｏｒｃｅ　ｔｏ　ｇａｉｎ　ｗｅｍｅｓｓ　ｏｆ　ｇａｓ－－ｌｉｑｕｉｄ　ｔｗｏ－－ｐｈａｓｅ　ｆｌｏｗ，ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｉｇ．Ｗｅ　ｕｓｅｄ　ａｉｒ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｗｅｔ　ｓｔｅａｍ　ｂｙ　ｎｅｇｌｅｃｔｉｎｇ　ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌａｗ　ｔｈａｔ　ｄｒｏｐｌｅｔｓ　ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｖａｒｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｗｅｍｅｓｓ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎ　ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ，ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｗａｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｓｐｒａｙｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｈａｖｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｄｒｏｐｌｅｔｓ　ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｍｅａｎ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｗｅｔｎｅｓｓ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ　ｄｒｏｐｌｅｔｓ　ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｎｏｎ・ｌｉｎｅａｒｌｙ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｅｒｒｏｒ　ｉｓ　６．４５％：ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｒｏｐｌｅｔ　ｓｉｚｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃａｕｓｅｓ　ａ　ｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅ　ｅｒｒｏｒ　ｔｈａｔ　ｉｓ　０．７４％．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｃｏｎｃｉｓｅ，ｈａｖｉｎｇ　１ｉｔｔｌｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆｌｏｗ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｗｅｔｎｅｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ａｐｐｒｏａｃｈ，ｉｓ　０．００８３％．　

ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｇａｓ‘‘ｌｉｑｕｉｄ　ｔｗｏ。。ｐｈａｓｅ　ｆｌｏｗ；ｄｒｏｐｌｅｔ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ；ｗｅｍｅｓｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｉｒｆｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ；　ｄｒｏｐｌｅｔ　ｓｉｚｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｍｅａｓ￣ｅｍｅｎｔ　ｅｒｒｏｒ　

摘要：以空气、水为工质忽略相变和散热损失模拟湿蒸汽流　动，提出测定液滴群撞击力以测定气流湿度的方法并搭建了　实验台，探索液滴群撞击力随湿度变化的规律，提出了基于　实验数据的经验关系式，验证了该联系。结果表明：喷水量　和气流速度对液滴撞击力影响显著，相同气流平均速度下，　湿度增大液滴群撞击力非线性增大，论证了液滴群撞击法湿　度测量的可行性，实验测量误差为６．４５％；液滴粒径分布的　改变对湿度测量的影响可以忽略，误差为０．７４％。该法简易，　对主气流干扰小，所能确定的最小湿度为０．００８３％。　

基金项目：教育部高等学校创新科研团队基金（ＩＲＴ１２８０）：国家自然　科学基金项目ｆ５０８０６０５９）。　Ｔｈｅ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｔｅａｍ　ｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（ＩＲＴ１２８０）；Ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　（５０８０６０５９）．　

关键词：气液两相流；液滴群撞击力；湿度测量；气流速度；　粒径分布；测量误差　

０　引言　

流动湿蒸汽湿度的确定对汽轮机组经济、安全　运行意义重大。排汽湿度过大引起机组效率降低、　叶片侵蚀。由湿度可确定机组级内水滴分布、运行　工况，为提升机组效率、除湿提供依据。湿蒸汽湿　度测量方法众多　”，真正用于工程实践的方法为　热力学法和光学法。热力学法最具代表性的是加热　法　】，但探针散热损失大，对取样条件要求严格，　加热元件易干扰取样流场；徐廷相等人［２］研制出了　双套管式加热探针，减少了对取样流场的干扰和散　热损失，提高了测量精度。加热法原理成熟，但液　滴尺寸分布未知，且只能单点测量。王乃宁、蔡小　舒等【３Ｊ研究了光学法，光学法能实现非接触测量和　液滴尺寸分布测定，但须保证光学玻璃清洁，对测　量环境要求严格，不能实现长期在线监测且受限于　光源波长，只能测定尺寸小于３ｇｍ的水滴。此外，　还有关于双区加热法【４】、布拉格光纤光栅法Ｉ５　］、其　他［　方法如电容㈣、微波谐振腔微扰　¨　等研究的　报道。可见加热法、光学法等应用于工程实际，还　存在一些限制。　液滴撞击壁面是自然界和工农业界常见的现　象之一，如降雨、喷墨打印、等离子喷涂、农药喷　洒以及蒸汽透平内部水滴撞击叶片等等。国内外关　于液滴碰撞壁面的研究，多见于单液滴碰撞壁面的　动态特性　或雨滴土壤侵蚀机理的模拟［１３－１６］，而对　液滴撞击力的研究文献极其缺乏。测定液滴群撞击　力以测定湿度的方法，国内外目前未见文献报道。　本文针对液滴群撞击力与流动湿蒸汽湿度的关系，　第２３期　张智慧等：气液两相流液滴群撞击法湿度测量实验研究　６４３３　开展了前期基础性工作。在一定气流速度下，测定　液滴撞击力和气流湿度并监测液滴粒径变化，基于　此提出了湿度与液滴撞击力符合二次曲线变化规律　的经验关系，分析了测量误差及液滴粒径分布改变　对湿度测量的影响，论证了该法的可行性。该法较　为创新，液滴粒径变化对湿度测量的影响可以忽略，　测量器械对主气流干扰小，测量精度高，易于操作　且对测量环境限制少，能实现湿蒸汽湿度在线测定。　

１湿度测量系统　蒸汽湿度表征单位质量湿蒸汽中饱和水的质　量比即绝对湿度表达式：　】，：（—　！Ｌ）×ｌ００％　（１）　ｆ＋ｍｇ　

式中：ｍｆ是饱和水的质量；ｍ　是干饱和蒸汽的质量。　统计学意义上可视湿蒸汽为分散态，且分散液相体　积比小于干蒸汽相，水滴之间的相互作用力可以忽　略。汽轮机叶栅通道内湿蒸汽流场复杂多变，通常　采用均相假设：液体分散相与干饱和蒸汽之间无速　度滑移，一定温度和压力下两相处于热力平衡状　态，所有液滴视为均一球形。　目前，尚无标准的湿度标定设备即还不能制成　已知湿度值的湿蒸汽以校验有关设备的测量精度，　这是湿度测量的难点所在。本文向流动干空气中喷　射雾化水并形成混合均匀的湿气流，无需考虑散热　损失及相变影响。若采用一定过热度的流动湿蒸汽　测量撞击力，须做好隔热措施，但在实际操作中相　变凝结问题很难实现人为控制，对测量结果造成影　响；而使用空气和水模拟湿蒸汽流动，基本不存在　此类问题，同时也简化了实验操作，相比湿蒸汽的　测量结果，该方案测量误差偏小。本文在室内温度　为２５℃的稳定状态下，模拟湿蒸汽流动，在雾化直　管出口４ｃｍ、垂直于固定支座方向上紧固电子天平　以测定气流撞击力。在实验测量条件下，温度保持　为室温且射流撞击区域管道出口与天平距离较短，　高速气流撞击天平，湿气在周围空气中停留时间约　为Ｏ．００３ｓ，在此过程中水温的变化可以忽略不计；　就工程实际应用而言，测量装置拟设计和安装于凝　汽器喉部位置，工作环境接近定温，测量装置的引　入引起汽流压降在数百Ｐａ，即使压降会引起蒸汽相　变，其作用也极微弱加之汽流高速流过并撞击测量　装置，过程持续时间很短，因而相变的影响可以忽　略不计。本文实验由干、湿气流撞击力得到液滴撞　击力，并将液滴撞击力与气流湿度关联，论证了液　滴群撞击法进行湿度测量的可行性。　１．１液滴撞击力测定装置　液滴撞击固体表面的动态特性及撞击力涉及　多个技术领域，国内外液滴撞击固壁研究［１２－２２］多集　中于单液滴自由下落撞击固体壁面现象和机理。实　验工具的选择因问题而异，早期的液滴撞击力测定　如Ｎｅａｒｉｎｇ，Ｂｒａｄｆｏｒｄ等［１３－１４Ｊ使用了压电晶体块研究　了液滴撞击力的变化规律；此外也有人［１５－１６】使用压　电薄膜进行液滴撞击测定；Ｒｏｂｅ￣Ｍｅｔｚ［１８］借助压电　传感器开展了液滴跌落与撞击实验；李景银，张彬　等［１９－２１　Ｊ利用压电传感器研究了液滴尺寸和速度对　撞击持续时间和撞击压力的影响。　自由下落单液滴撞击壁面中多为毫米级粒径，　液滴下落过程中受空气影响较大，液滴由注射泵间　歇生成和释放，液滴下落速度取决于自由下降的高　度，测量器件只能进行单个液滴下落撞击壁面的测　定，而湿度测量中液滴粒径为微米级，空气阻力对　来流液滴的影响较小，液滴运动主要依靠气流的夹　带作用，单液滴撞击力极其微弱；液滴群与撞击靶　面接触后，单液滴随机地撞击靶面区域，相继撞击　靶面的液滴之间，无固定运动时间间隔；气流速度　稳定后，高速液滴群持续撞击靶面使得测力天平保　持相对稳定峰值示数。目前获取微米级单液滴还存　在技术难度且湿蒸汽中液相成分以多尺度分散水　滴的形式存在，将液滴群的某些物理属性与湿度关　联，通过测定这些物理参数即可获得湿蒸汽湿度　值，研究单个液滴撞击力对湿蒸汽两相流动意义不　大，研究整个液滴群撞击力更具可行性，这也是选　择撞击力测定工具的依据。　撞击力测定工具需能分辨出气流场偏弱的撞　击作用力信号，具备一定的测量精度，动态响应特　性要好，能自动消除外界的干扰因素，性能稳定，　适应长期的撞击力测定。高速摄像机能捕捉单液滴　撞击后的动态行为、由照片影相推算物体运动速度　但目前未见用于撞击力测定的报道；应变传感器如　压电式适合测定较大撞击压力的工况，难于分辨出　微米级液滴较小的撞击力信号；压电晶体块尺寸过　小难以适应实验验工况，而且上述传感器都适合单　次单液滴撞击测定，难于或不能分辨出多个或大量　液滴同时撞击的信号。　综上，本文选用电子天平测定撞击力，精度在　０．００１ｇ，据称重原理，其测力精度约为０．００００１Ｎ，　经实验验证，该精度满足要求。在该精度级别下称　重，天平较为灵敏，如在用砝码称重校准仪器过程