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垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

更新时间:2009-03-28

引 言

环状流是一种常见的气液两相流流型,其典型特征是高速运动的气相聚集在管道中央形成气芯,液相贴壁流动形成液膜[1]。快速流动的贴壁液膜使环状流具有优良的传质传热性能,在石油输运、化工、核电等领域应用广泛[2-3]。环状流的传质传热特性和运行稳定性依赖液膜的性质[4],液膜表面存在扰动波,由于扰动波出现时使液膜厚度增大、速度变快,对液膜输送液相的效率有直接影响,同时扰动波理论与环状流形成机理[5-6]、液滴夹带[7-8]、液膜厚度问题相互关联耦合,扰动波是环状流研究中的一个基础问题[9-10]。对流体波动的研究一般针对波速、频率[11]和波动间歇性[12-14]。波动频率是描述扰动波出现频率的基本特征量,对研究环状流的传质传热特性有直接参考意义,但波动频率的影响因素复杂,难以从理论上直接推导扰动波波动频率的定量关系,且在一些问题上国内外相关研究中存在争议。

国内外研究中的扰动波频率预测模型都包含一些描述相似性准则的经验参数,有关的研究中多借助Strouhal数(St)与频率建立关系,并利用St与两相密度比和 Reynolds数之比等比值预测扰动波频率。但不同的研究中建立St与频率f的对应关系并不相同,有些采用气相表观流速计算,有些采用液相表观流速。Schubring等[11]利用光的内全反射法在8.8、15.1和26.3 mm水平管展开研究,分别建立了扰动波频率预测模型,这些模型中采用了气相表观流速,并且预测的波动频率只与气相的流动条件有关,与液相基本无关,这与一般的理论认识不符。Sawant等[15]在9.4 mm垂直管用电导探针检测环状流液膜,得出了一个用液相Reynolds数和密度比预测St的模型,并采用了气相表观流速将St参数与扰动波频率建立关系。Mantilla[16]在研究液相黏度与环状流波动特性时,得到了一个预测扰动波频率的模型,采用液相表观流速表达St,然后借助一个与流速比、密度比有关的中间变量建立关系。Setyawan 等[4]、Ousaka 等[17]和 Al-Sarkhi等[18]的研究中都使用液相表观流速将Strouhal数与频率建立关系,而Hazuku 等[19]则使用气相表观流速。

目前国内外研究中较少涉及管道压强的变化,尤其是中高压条件下的实验数据相当匮乏,对建立模型来描述压强对频率的影响十分不利。另外对频率预测的争议主要集中在两个问题上,一是增加液相流量对扰动波频率的影响,二是Strouhal数与频率之间的关系中采用气相还是液相表观流速。为了研究液相流量对扰动波频率的影响,验证利用液相表观流速建立Strouhal数与频率之间关系的合理性,并研究管道压强变化对环状流扰动波的影响,进行了实验设计与分析建模。

1 实验条件与装置

1.1 实验材料与中压湿气实验装置

实验材料为压缩空气和水,实验采用天津大学双闭环可调压中压湿气实验装置。如图1所示,装置由气路循环回路,水路循环回路,气液混合实验管段,计算机控制系统等构成。气路循环回路的动力源为罗茨风机,水路循环回路为增压水泵。实验用水由增压水泵提供,经引射器注入到实验管段,实现气液两相的混合,气液两相经过实验管段最终流入气液分离罐实现分离,分离后气相由罗茨风机继续循环,液相进入储液罐,通过水泵继续循环。气液两相混合前分别经标准管路予以计量,其中气液两相标准管路分别采用涡轮流量计和电磁流量计进行计量,计量精度分别为1.0%和0.35%。

  

图1 双闭环湿气实验装置Fig.1 Flow loops of wet gas experimental setup

  

图2 流型图及实验数据Fig.2 Flow pattern map and experimental data

实验条件为竖直上升管,数据范围为气相体积流量 90 和 110 m3·h1,管道压强 0.1~0.8 MPa,液相体积流量 1.2~2.5 m3·h1,共70个流动数据点,根据垂直管流型图[20],该条件下的两相流动为环状流,见图2。

1.2 近红外吸收法液膜检测系统

1.2.1 液膜检测原理 选择 980 nm波长的近红外光作为检测载体,此波段的近红外光透过液膜时,水分子中的氢氧键对其有较强的吸收作用,使光强发生衰减,而透过气芯时几乎不衰减。根据Lambert-Beer定律[21-22],光透过介质时的吸收规律可表示为

 

趋嫩性:成虫、若虫具有多栖于芽梢叶背,且更喜栖于芽下2~3叶叶背。趋色性:成虫喜欢黄色,嗜好选择黄绿色和浅绿色。怕湿畏光:阴雨天或晨露未干时静伏不动。中午烈日直射,虫口多在茶丛内,且徒长枝芽虫口较多。活泼善跳:成虫和3龄后若虫活泼,稍受惊动即跳去或向下潜逃。产卵习性:卵多散产于芽下第1至第3节嫩茎皮层下或叶柄及主脉中,产卵期长,早春茶树发芽成虫开始产卵,直到秋末冬初茶树新梢停止生长为止。雌成虫产卵量因季节而异,春季最多,秋季次之,夏季最少。

1.2.2 传感器结构设计 根据光吸收原理的应用要求,采用垂直对射式光路设计,光源发出近红外光束,通过一个置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯中液滴夹带的影响,投射到另一侧液膜上,液膜吸收使光强衰减,经玻璃透镜进入光电感应接收器。

液膜检测装置的结构组成如图3所示,光源1为近红外激光器,波长为980 nm,功率为4.5 mW;导光管2置入管道内部,导光管顶端与管道底部分别有一个圆柱形有机玻璃透镜,将管道流通介质隔离;接收器3为对应近红外探测器。测试管段长度500 mm,直径50 mm,材质为304不锈钢。导光管长35 mm,顶端距离管道内壁15 mm,液膜不与导光管发生接触。接收器的输出电压与其接收光强呈正比,电压信号经数据采集卡采集后由计算机进行存储和后续处理。液膜检测装置的实物图见图4,实验装置安装图见图5。

  

图3 近红外吸收法液膜检测装置Fig.3 NIR absorption liquid film measuring sensor

 

1—light source;2—light guide pipe;3—receiver

  

图4 近红外吸收法液膜检测装置实物图Fig.4 In-kind shooting of NIR absorption liquid film measuring sensor

 

1—tube;2—light source;3—receiver;4—pressure sensor

  

图5 实验装置安装图Fig.5 Experimental setup installation

1.2.3 光损补偿 采用空管对照的方法抵消实验装置本身引起的光强损失,即先测量空管时探测器输出的电压值U0,作为入射光强对应的电压值,则实流实验中液膜厚度与传感器输出的电压值 U1之间的对应关系为

经过统计测算,优化后的配送线路从原先的120条降低至62条,几乎减少了一半。进行配送路线优化后,百安居也重新寻找了进行城市配送的承运商,并进行运费核算获得一个更好的运费价格。核算时还是以2016年9、10月份从上海物流中心进行配送的数据为基础数据,核算后的汇总分析如表2所示:

 

式中,δ为液膜厚度,液膜厚度与检测电压具有单值对应关系,电压值的波动反映液膜厚度的波动,则通过对此电压检测信号进行频域分析,即可得出液膜的波动频率。

1.3 扰动波频率计算

利用功率谱对液膜波动信号进行频域分析,功率谱密度是信号自相关函数的FFT变换,反映信号在不同频率上的能量分布[24-25]。对时间序列x(t),其功率谱密度函数可由式(3)确定,其中T=NΔt,Δt为采样的时间间隔。

 

采用将信号分段,对每段采用改进的周期图法进行功率谱估计,然后再取平均的方法计算功率谱密度。以信号功率谱密度的峰值作为特征频率,描述界面扰动波,此方法基于以下原理。

(1)环状流的界面波可以用扰动波和波纹的线性叠加来描述[12],扰动波存在一定的周期性和周向相关性[26],且扰动波的幅值远远大于波纹[4,18]

现如今,地面三维激光扫描技术在工程测量中应用是非常普遍的,建筑领域高度重视地面三维激光扫描技术的应用,而且从应用中已经了解到这种扫描技术的优点。当前,地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用,具体包括测算土方量、建立三维模型以及测量竣工等等。同时,地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用,必须要严格依照相关的流程进行,其一,在扫描初期完成储备。其二,在扫描中全方位采集点云数据。其三,配准核对点云信息、其四,分析处理点云信息。

(2)近红外吸收法传感器的检测电压信号与液膜厚度负相关,二者的波动频率相同。

在番茄初花期,将熊峰授粉群放入棚室内,进行熊峰授粉。针对设施番茄选择熊蜂授粉,每棚(1.5-3.0亩)一箱。在番茄初花期开始释放授粉熊蜂,蜂箱放置地点必须通风、防晒,蜂箱放置高度为距离地面10-20 cm。在棚室内的作物较矮不能为蜂箱遮阴时,可选用木板、泡沫板、遮阳网、硬纸板等材料人工为其遮阴,遮阴材料与蜂箱的距离必须在50 cm以上,重点保证蜂箱南侧和西侧的遮阴效果。放置时间最好于傍晚放入,静置1-2 h后再打开蜂门,以避免工蜂撞击棚膜,造成不必要的伤亡。1-2天后熊蜂可适应环境,开始访花。

I——光照强度,Lx

2 实验结果与讨论

2.1 液膜波动检测信号

根据实验结果确定经验参数,得到了环状流界面扰动波波动频率的St-Fr预测模型

  

图6 探测器输出电压信号片段Fig.6 Sample of receiver output voltage signal

2.2 扰动波频率结果

对实验测得的环状流液膜波动信号进行了功率谱分析,取功率密度的最大值对应频率作为液膜扰动波的特征频率,即扰动波的频率,得到的液膜扰动波频率随管道压强和液相体积流量变化的部分结果如图7、图8所示。

频率实验结果如图9、图10所示,在相同的气相流量条件下,环状流液膜扰动波频率随管道压强的增大而增大,随液相体积流量增大而增大,同时对比图9、图10可以看出,在气相流量较大时,扰动波频率也较大。

  

图7 扰动波频率随管道压强的变化(气相体积流量90 m3·h1,液相体积流量 1.4 m3·h1)Fig.7 Samples of disturbance wave frequency varying with pressure (Qg=90 m3·h1,Ql=1.4 m3·h1)

2.3 现有频率预测模型对比分析

  

图8 扰动波频率随液相体积流量的变化(气相体积流量 110 m3·h1,压强 0.2 MPa)Fig.8 Samples of disturbance wave frequency varying with liquid volume flux(Qg=110 m3·h1, P= 0.2 MPa)

将实验结果与相关研究中现有的模型进行对比,结果如图11所示。Schubring等[11]的模型(图11 model-1)预测结果整体偏小,Sawant等[15]的模型(图11 model-2)预测结果整体偏大,这是实验条件不同造成的。Schubring等[11]模型认为扰动波频率值只与气相表观流速有关,与液相表观流速无关,这是在气液表观流速比极高时的一种近似,并且实验也没有考虑压强变化,在中高压条件和低气液表观流速比的条件下适用性不好。Sawant等[15]的模型与图9、图10实验值的压强和流速条件相近,但实验管径仅为9.4 mm,二者管径相差很大,因此也存在较大误差。

  

图9 气相体积流量90 m3·h1下的扰动波频率变化Fig.9 Variation of disturbance wave frequency(Qg =90 m3·h1)

  

图10 气相体积流量110 m3·h1下的扰动波频率变化Fig.10 Variation of disturbance wave frequency(Qg=110 m3·h1)

  

图11 现有模型预测结果Fig.11 Results of existing models

本文与 Mantilla[16]的研究实验管径相当,实验条件接近,图9、图10实验值与Mantilla[16]模型(图11 model-3)预测值数据范围大体相同,但在趋势性上存在一些差异,有些流动情况下的结果相差较大。主要原因是 Mantilla[16]的研究偏重于改变液相流体黏度的影响,不涉及压强变化,且液相流速数据点很少,对压强和液相流量的影响定量关系不准确。

以上差异反映了国内外研究对环状流扰动波频率理论认识上的不同,现有模型都不能准确描述中高压条件下 50 mm垂直上升管环状流的扰动波频率特性。

2.4 扰动波频率的影响因素分析

C——介质浓度

另一方面,液相流量增加对扰动波频率有两个方面的影响,一方面增加液膜的惯性[30],另一方面伴随着液膜厚度的增加,液膜表面的粗糙度和波动的剧烈程度也随之加大,从而增加界面剪切力。在气相流速较低时,液膜较厚,后者为主要作用,当气相流速较高时(通常气液表观流速比在100倍以上),液膜总是很薄,液相流量增加时促进波动剧烈程度的作用不明显,扰动波频率随液相流量增加的效应十分微弱,甚至出现反作用。这是国内外研究中对液相流量对扰动波频率的影响存在争议的主要原因。

波动频率与波动速度存在耦合关系[31],在该实验条件下,气液两相体积流量和管道压强都会增加气液界面处液膜的运动速度或液膜表面出现波动的概率,使环状流界面扰动波频率增大。

2.5 环状流界面扰动波波动频率的St-Fr预测模型

如图7、图8的实验数据所示,扰动波频率随液相体积流量增大特性明显,总体上具有线性趋势,为验证使用液相表观流速建立Strouhal数与频率的对应关系的合理性,分别对每组液相流量条件下的频率值进行线性拟合。用最小二乘法确定不同气相条件下液相Strouhal数与频率的线性系数L

 

线性系数L的值与气相体积流量和管道压强有关。由于气相体积流量与压强对扰动波频率的影响十分相似,推断其为相乘作用,同时在垂直上升管中,来自气芯的剪切力使液膜克服重力并向上输运,因此选用包含两相密度比的Froude数Fr建立相似性准则。其中气相密度ρg正比于压强P,气相表观流速usg正比于气相体积流量Qg

 

其中包含了压强和气相体积流量的乘积项PQg,建立LPQg的关系如图12所示,可以利用一个指数小于1的幂函数达到较好的拟合效果。综合参考 Schubring 等[11]、Sawant等[15]和 Mantilla[16]的相关研究,利用Strouhal数描述液相表观流速对波动的影响,利用Froude数来描述气相密度和气相表观流速对波动的影响,确定扰动波频率预测模型形式,如式(7)所示。

第二、三、四章着重分析了行政部门中存在的形形色色的贪腐现象。以收取礼物或因公出差为名,行中饱私囊之实者有之,趁位居政府要职之便,代表他方和美国政府打交道,从而索取非法报酬者也有之。此外,围绕政府官员呈报自身财务状况 (financial disclosure),官员财务上的利益冲突,官员的“覆盖关系”(covered relationship)(即官员与配偶、直系亲属、配偶的雇主、官员的前雇主、官员仍直接参与的外界组织等的关系),旋转门 (revolving door)(即政、商界之间的人员流动),乃至总统、副总统应否不受利益冲突法的约束,等等,作者都一一解剖,提出看法。

 

式中,ab为待定系数。

电力营销工作量较大,任务繁重,由于其外派工作涉及到千家万户,所以电力企业在管理过程中很难对这些外派工作进行监控,并对工作的质量进行考核和检查,这对营销服务质量的提升有一定的制约。通过用电信息采集系统,可以有效监控到营销人员工作的真实性和及时性,能够有效控制外派工作的质量,同时此系统还可以对装表的质量进行在线检测,所以非常有利于工作质量的检查和考核。

  

图12 线性系数LPQg的关系Fig.12 Relationship between L and PQg

图6为截取的探测器输出电压原始信号,N为采样序列,信号存在明显的波动,并具有一定的不规则性,波动不是连续存在的,具有间歇性。

 

模型预测结果如图13所示,85.71%的数据点预测的相对误差在20%以内,预测的平均绝对误差(MAE)为11.42%,精度与已有模型对其本身数据的预测精度相当。选择不同文献中较低气液表观流速比的数据对该模型进行验证,结果如图14所示,在气液表观流速比较低的范围内该模型具有一定广泛适用性,但随着气液表观流速比的增加,气相表观流速的影响越来越大,规律发生转变,St-Fr模型逐渐不再适用。该模型依据气液表观流速比100以下(36~91)的数据拟合参数,因此对气液流速比100以下的扰动波频率预测效果最佳,且适用于不同压强条件。

St——Strouhal数

  

图13 St-Fr模型预测结果Fig.13 Performance of St-Fr model for current data

  

图14 St-Fr模型对不同文献数据的预测结果Fig.14 Performance of St-Fr model for available data

3 结 论

(1)环状流界面的扰动波具有一定周期性,其波动频率随着气相流量、压强的增加而增大。中高压条件下的实验数据表明,压强增大与气相流量增加的作用相似,都会增加界面剪切力,提高液膜动能,压强增加还会使液膜扰动波趋于规则有序。

(2)气液表观流速比在100以下时,扰动波波动频率随液相流量的增加而增大效应明显,且有近似线性关系。在对应数据范围内,使用液相表观流速建立频率与Strouhal数的关系具有合理性。

(2)“调pH”控制溶液的pH=10,室温下该溶液中c(NH4)∶c(NH3·H2O)=____。[已知:K(NH3·H2O)=1.7×10-5]

(3)利用 St-Fr模型可以较准确预测该实验条件下的气液两相环状流界面扰动波频率。该模型表明,在对应数据范围内,气相表观流速和压强可以近似为相乘作用,从而将气相条件的影响简化为气相质量流量的影响。

符 号 说 明

扰动波频率随气相表观流速的增加而增大,这已经被许多研究者广泛证实[15-19,27]。中高压条件下的实验结果表明,压强增加使得气体密度增加,提高了气液两相间动量转移的效率,增加了界面剪切力[28-29],与气相表观流速增加有相似的作用。压强增加时,更强的剪切作用不仅会增加液膜扰动波的波动频率和速度,同时会削减较大波峰,使液膜趋于规则和有序,反映在功率谱密度上,频域能量分布更加集中,峰值更突出,见图7。

D——管径,m

d——距离,m

Fr——Froude数

f——频率,Hz

10月19日,江苏省政府办公厅公布《关于规范推进特色小镇和特色小城镇建设的实施意见》(以下简称《意见》),规范特色小镇和特色小城镇的建设,不盲目盖高楼、不拆老街区,严控房地产化倾向。

g ——重力加速度,m·s2

在此条件下,液膜时域信号应该包含一个近似周期性的波动信号,反映到频域上为频域峰值,这个峰值对应扰动波频率[11,15-19]

式中,I0为入射光强,I为出射光强,C为介质的浓度,水的浓度为1,空气的浓度近似为0,β为吸收系数,水对 980 nm近红外光的吸收系数为47.1185 m1[23]

L——线性关系常数

N——采样时间序列

她点头:“嗯,我长大了要当钢琴老师。”又说,“我也要好好学英语。要不然我去美国,大家听不懂我讲话怎么办?”——很抱歉,她五岁,已经很自然地有了美国梦。整个社会的价值观,就这么直接地以儿童体现。历朝历代,都拿童谣当作天谶。

P——管道内压强,MPa

PSD——功率谱密度

在施工过程中锤头脱落往往不是单一原因造成的,其主要因素是钢丝绳的磨耗断裂,卡扣失灵掉落,锤头横向轴承过劳断裂等。

Q ——体积流量,m3·h1

Re——Reynolds数

无论多宽的垄距,公顷保苗不低于20万株的密度,每行不少于100棵;公顷保苗不低于25万株的密度,每行不少于125棵;公顷保苗不低于28万株的密度,每行不少于140棵;公顷保苗不低于35万株的密度,每行不少于175棵。

U——电压,V

usg,usl——分别为气相、液相表观流速,m·s1

β ——吸收系数,m1

ρ——密度,kg·m3

下角标

exp——实验值

g——气相

该工艺初期对铁锰的去除主要决定于高锰酸钾投加量,只要氧化剂的投加量满足,系统启动初期便能稳定控制铁锰。在系统运行前期(1个月),需按理论值投加高锰酸钾才能有效控制铁锰;系统运行一段时间后,砂滤层自身逐渐具备一定的除铁锰能力,可适当降低高锰酸钾投量,投加量维持在理论值的90%以上时便可有效控制出水铁锰。系统的启动需3~4个月的时间,投加高锰酸钾主要是根据水中有机物的污染程度确定,仅考虑对铁、锰的去除可不再继续投加高锰酸钾。

l——液相

mod——模型预测值

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孙宏军,桂明洋,赵宁
《化工学报》 2018年第05期
《化工学报》2018年第05期文献
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