CMC液体垂直向下流动沸腾流型实验

第3期 高分子材料科学与工程 l995年5月 POLYMERIC 1^日II^I S S口ENCE AND ENGINEERING No．3 M 1995 堂 流型判别式。 ’ 、 、 关键调流动沸腾。流量，两相流 车， 搴￡； 丰， 高粘流体两相流流型的研究，对高聚物生产、食品、轻工等工业有重要的应用价值。现有的 流型研究的报导均是针对制冷、水一空气、液氯等低粘物系。 Kan'd~ 口3比较了大量低粘物系两相流实验数据和几种流型判男U式表明，w-jsrnan 等 提出的判别式可以较好地区分弹状流与环状流。所用关联式为t 式中 为表观气速， 为表观液速． h( _a一矗／ )为两相流 F lde数，D为加热管内径，g 为重力加速度。式(1)中： h— 、／ ／ · ( 一 ) (2) 式中 、 分男4为液相、气相密度， 为表面张力。Mishin．m[~3采用式(1)为判男0式，但提出自己 的计算式： + ljso一 ·D( 一 )／ 一 o．11) (3) 式中a为经验常数。If~'del的工作表明，采用式(3)后．关联式(1)成功地分离了弹状流与环状 流。浅尾芳久等叫在透明玻璃管中，研究了流动沸腾的流型。表明加sIl如a等∞提出的流型划 分判据，可以较好地区分不同的流型。 与绝热两相流不同，流动沸腾传热中，含汽率、汽速、液速、流型等沿加热段不断变化，必须 考虑传热对流型的影响。而且，工业生产中较多的是以流动沸腾方式出现的非绝热两相流。本 工作将重点研究高粘假塑性流体垂直向下流动的环状流型及各种流型间的转变，同时考虑传 热对流型的影响，探索其规律性。本工作也将为研制高效滴落式脱挥器提供理论支持 · 国家自然科学基金竞助项目 收瞢日期 l蚺{一03—2I t*金持。接痔等参加了实验工作． 维普资讯 http://www.cqvip.com 羽均菠譬，c蛐：藏 实验流程如Fig．1所示。齿轮泵2为高粘计量泵JR2．{。加热段4采用透明镀膜玻璃管，玻璃 管外镀有一薄层透明导电膜，可以直接通电加热。使用这种加热管，可以直接观察流型．同 照象或录象，并记录有关的传热数据。其部分实 验数据为 啪= 0．71~88．03 Pa· ， 口一 2．1 ～ 1 0．8 kW／m。。 = 0．018~17．2m／s， 盖 一 0～ 0．21． D 一 5．89～ 7．85． G 一 5．55 ～ 46．17 l【g／m ·s 2 结果与讨论 腿 l Tk ·由衄咄 mI帅 d 嘲t 1jM tInkI 2l l孕{pan@ I 3I 曲呻 肾‘4 h #5l[DIbaSiC∞e1 I 6， 日mm Tn 7lt目a、 2．1 实验结果 2．1．1 泡状流 本工作中泡状流出现很少，一般仅在加热管进口附近出现，泡状流迅速转变为 弹状流。 2．1．2 弹状流：弹状流—般出现在加热管进口到加热管上部的113处。在加热管中部以后t弹 状流较少出现。许多情况下，弹状流型很短，很快转变为环状流。 2．1．3 环状流；本实验的大部分流型为环状流。许多情况下．在加热管进13就形成环状流。当 液体粘度较大时，壁面液膜较厚。随着汽体速度进—步增加，汽液界面相互作用力变双，液膜 E 出现明显的波状，称作渡状环状流。当液体粘度较小时，液膜相对较薄。在环状流时t汽液传质 一 般发生在汽液界面。然而．在本实验中观察到，汽泡可以直接在管壁上产生，这意味着管壁 上有汽化发生 2．1．4 闪蒸沸腾：在一定工况下，高粘流体流动沸腾时，本实验观察到—种新的薪e型——闪蒸 沸腾。即大量大小不等的汽泡从汽液界面和加热管壁面急剧产生并炸开，伴随着劈劈啪啪的响 声，看起来就象无数个小汽弹在爆炸。汽液界面模糊不清，不光滑，发毛。这种现象就如同闪蒸 — 样，所以本文将这种流动沸腾流型称作闪蒸沸腾。传热强度不同时，闪蒸沸腾也有区别，在一 定传热强度下，闪蒸沸腾是振荡的，出现—会儿环状流，再出现—会儿闪蒸沸腾，振荡周期从小 于1 s到几 s不等。此时．进一步加大热流密度，可以出现持续不断的阿蒸沸腾·而不再出现环 状流。 2．2 讨论 维普资讯 http://www.cqvip.com 为了讨论方便，将流型量化z定义—个流型值甜，泡状流的呼 值取为1，相应的弹畎流、环 状流和闪蒸沸辟分别取2、3和|。在建立流型关联式时，也将采用流型值的概念。Flg．2给出流型 对蒸汽干度 的分布，圈中纵座标的1、2、3和4分别对应相应的流量．由图 g．2可见，泡状流对 应的 值域较小，当 大于0．035后，就不再出现泡状流I弹状流出现时对应的 值域要宽一 些|环状流对应的 值域最宽，其最右端值接近0．2，在工业生产中，环状流为主要流型，当 大 于0． 后，闪蒸沸腾才可能出现，其对应的 较大。Fi 3给出流型对表观汽速啊的分布，其分布 与F 2相近．但是，环状流对应的啊的最大值，大于闪蒸沸脯对应的啪最大值．这两个图表 明．各种流型对应各自相应的 值域和啪值域，而这些值域有重叠部分．从另—个角度说，z和 疆流型的影响因素，但仅由 和啊不能确定流型，还要考虑其它因素对流型的影响。 F 2 Fl州 ■ 帆 忆 F l Flow 邮 Ⅻ 闪蒸沸腾是高粘流体流动沸腾传热中特有的现象。笔者曾用水进行流动沸腾传热实验，改 变热流密度、液体流率等，均未观察到闪蒸沸膊。当热流密度很大时，水尽管沸腾剧烈，但未出 现闪蒸沸腾。 在高粘流体流动沸腾传热中，由于液体粘度大，容易产生局音艮过热，同时，高粘液体容易包 裹大量的大小汽泡，当过热度大到一定程度后，汽泡迅速长大，炸开，形成闪蒸沸腾。这也许就 是闪蒸沸腾形成的过程，因此，液体的高粘性是发生闪蒸沸腾的必要条件。水的粘度小，所以不 出现闪蒸沸腾。本实验中流型变化依次为：泡状流、弹状流、环状流、闪蒸沸腾。在环状流的基础 上，进一步增加热流密度，即可能出现闪蒸沸腾流型。显然，闪蒸沸腾时汽液传质较强烈。 2．3 建立流型判别关联式 在绝热两相流流型研究中，由于无热量交换，所以在建立的流型判别关联式中不出现热流 密度。af．E~ E流动沸腾传热中，热流密度是—个主要因素，应当考虑。另一方面，工业生产中更 多出现的是流动沸腾传热，在流型判别关联式中包含热流密度口，会更符合实际。因此，本文在 建立流型判别关联式时，将考虑口。另外要考虑的流型影响因素为t蒸汽干度X、液体表观粘度 对比压力鲰，表观汽速啊、表观液逮札。共使用了535个流动沸腾流型数据，用非线性阻尼 最小二乘法进行优化计算，最后得到流型判别关联式如下t 0 = 3．85(t铀／ )呲 ·．q-“螨 · 蛳(1髓)“啪 · (一lg )一“ 卅 (d) 式中 x={ + · 厶)／m+脚 ]一 )／r， 一(1一x)0／ ，l柚=xG／~o，雄= ， =r／o· _ 。，，扣=a·exp(--bT')， 一 (3^+1)／(曩D／2)。其中 、 分别为预热功率和加热功率，=为加 热段轴向距离，厶为加热段长，m为总质量流率，‘为饱和液体焓，，为汽化潜热， 为}贽阵预热 段进口温度，啪为液体稠度系数．该式的计算值与实验值的平均偏差为13．8 。 根据式(d)的计算值来判别流型。铡如，某—工况的 值为4时，流型可能是闪蒸沸腾。但 维普资讯 http://www.cqvip.com 弟瑚 刘均洪并·cMc藏 实际上，流型变化是连续的，所以流型的0 值也不会只是—个点，而是一个区域。当凹 值落 入某个区域中，就属于该种流型。本实验中，弹林流落入l_8<凹<2．5的比率为0．67，环状流 落入2．53．3的比率为0．69。这表明，当dP值为2． 5～3．3时，流型可能是环状流。在实验中可以观察到，环捩流中，液膜厚度、液面波动情况、汽体 流速等可有较大的差别，但它们都归入环状流流型。这些差别必然在卯 值中反映出来，形成 一 个较宽的6 值的区域 各个流型之间互相重叠，有较宽的交界面[J]，文献Eli中，从弹状流向 环状流转变的分离值在0．5～0．7之间。式(●)同时考虑了传热和两相流因素对流型的影响，用 于工业设'十是方便的。在本工作的535个流塑数据中，环状沆占了381个点，因此，式(4)对环状 流的判别是较可靠的。 霞i|f；剪 酣施力田教授对奉工作的大力支持． 参 考 文 献 1 l(j SR．si瞄 O E a拊 h珥 Q ．1991．104l 49 2 Weiswzn】， SY．Int、J。蛐 m ，1981，7 271 3 bli~ naK， M．1 L 胁 Massna廊 ，1984．27l 723 4 浅尾芳久，小泽书 目 叽被学皇敝 集(B编)，1991，57(537)：1813 FLOW n 口删 0F 网嘲 lrD咖 G lo 伽 C研l皿 矾 A 、『】既n LT啊 Ye Lin，L／u Junhong，Liu Hesheng ( ∞ s酶瞻 of 如4f n柏∞‘叼 ， ∞) ^BsDt Lt：I Ainvestisation∞ flow patternofflowh她 heath-'~ eftoIljg vi∞。1ls p胄嘲ld。fd罩 flu~s in verf~ s tubes a~ered wi也 atmm仟 t condu她 filmwas0【，兀d哪怡d．Aflewtype offlow pattern offlow bc _mg was observed，and a cocre[aEiortfor ecIi咖 flow pat~-rnis al∞ develolx~d based on 535 exD ntal data． Key~ozch flow boflin~，flow patU~-nt two-pl1a∞flow 维普资讯 http://www.cqvip.com