０ 引言

氣液兩相流在許多工業應用中經常遇到，如鍋 爐、核反應堆的堆芯和蒸汽發生器、電子冷卻器和 各種類型的化學反應堆．兩相流中，流型和含氣 率是重要參數．首先，流型不同換熱效果不同；其 次，含氣率是 計 算 其 他 物 理 參 數 的 關 鍵 參 數．隨 著現代工業的發展，推動換熱設備向高效和小型化 方 向 發 展，小 通 道 已 經 在 緊 湊 式 換 熱 器 中 出 現，以水力直徑為劃分依據，水力直徑在１ｍｍ 和６ｍｍ 之間的通道被稱為小通道 ．與常規通道 相比，表面 效 應 在 小 通 道 內 兩 相 流 動 時 起 很 大 作 用，使得兩者兩相流動特性有很大不同．

１ 實驗系統及實驗方法

１．１ 實驗系統

為滿足實驗條件，作者設計并搭建了如圖１所 示的兩相流實驗臺．實驗系統由循環水回路、氣路、 實驗段以及測量系統等組成．從高壓氮氣瓶流出的 氮氣依次經過減壓閥、高精度針閥、氣體質量流量 計、截止閥和混合器（ 旋渦混合器VORTEX-5，海門市其林貝爾提供），水箱內的水依次流經過濾器、 變頻恒壓水泵、電 磁 流 量 計 和 混 合 器．混 合 后 的 氮 氣－水兩相流體流經實驗段，實驗段流出的水和氮 氣分別排入水箱和空氣．


１．２ 測量和數據采集系統

分別采用氣體質量流量計和電磁流量計測量氣 路和水路的流量，采用羅斯蒙特壓力變送器測量氣 液路的壓力，實驗段差壓由羅斯蒙特差壓變送器測 量．氣體質量流量計、電磁流量計、壓力變送器和差 壓變送器由２４ＶＤＣ供電，輸出４～２０ｍＡ電流并在 回路中串聯２５０Ω電阻，從回路取出的１～５Ｖ電壓 信號由與電腦相 連 的２０通道ＩＭＰ 采集 板 實 時 采 集，各儀器參數如表１所示．

１．３ 實驗方法

此次實驗溫 度 為１６．８５ ℃，實驗 壓 力 為 常 壓． 實驗時，先固定水流量逐漸增大氮氣流量并觀察流 型變化，待流型確定后采集圖像和實驗數據，重復 以上步驟可得不同工況下的流型圖和流動參數．

１．３．１ 流型圖的采集

將數碼相機通過連接線與電腦連接，并用ＳＯ－ ＮＹＩｍａｇｉｎｇＥｄｇｅ軟件實時顯示和儲存圖像，以 實 現可視化，相機型號為 ＤＳＣ－ＲＸ１００Ｍ６．實驗段采用 透明的高分子材料制成，用以觀察并拍攝流型圖．

１．３．２ 含氣率測量

實驗采用具有結構簡單、易于實現、測 量 精 度 高等優點的快關閥門法測量含氣率．

２ 實驗結果及分析

在液相表觀速度范圍為０．１５～１ｍ／ｓ時，固定 液相表觀速度，逐步增大氣相表觀速度。氣相表觀速度固定時，氣泡數量隨著液 相表觀速度的增大不斷增加而氣泡尺寸隨著液相 表觀速度的增大減小且氣泡分布不斷向管道橫截 面擴散．這是由于液相剪切力不斷增大，迫 使 氣 泡 分散成更小尺寸的氣泡。環狀流時，進一步增大氣速，自液膜產生的細 小液滴會被夾帶至管道核心部分．如 圖６所 示，固 定液相表觀速度為Ｕｓｌ＝１．０ｍｓ－１，氣相表觀速度 分別為：Ｕｓｇ＝１４．０７ｍｓ－１，Ｕｓｇ＝１９．４９ｍｓ－１，隨氣 相表觀速度的增加環狀液膜變得極不平緩，這是由 于垂直上升管內的環狀流存在皺波和擾動波 。

３ 含氣率實驗關聯式分析和驗證

有大量預測含氣率的實驗關聯，這 些實驗關聯 式 可 以 分 為 四 類，分別 是 滑 動 比 關 聯式、ＫεＨ 關聯 式、漂移通量關聯式和一般實驗關 聯式．滑動 比 關 聯 式 是 這 種 類 型 關 聯 式 的 廣 義 表 達，由 Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ在１９７５年提出，該類型關聯式 是關于濕度（１－Ｘ）和干度 Ｘ 比的函數．ΚεＨ 關聯式 是一個常數或者是無滑動或平均含氣率函數的倍 數．漂移通量表達式是關于分布參數Ｃ０ 和漂 移 速 度的函數．一般實驗關聯式是通過將基本物理參數 代入其他物理參數推導出的． 這些預測含氣率的實驗關聯式是由不同的研 究人員在不同管徑、不同流型、不同流體組合和不 同實驗壓力下基于有限數據得到的，故含氣率關聯 式對垂直向上圓形小通道內氣液兩相流含氣率預 測的準確性未知，因此有必要對其進行驗證，本文 選取 Ｎｉｃｋｌｉｎ的漂移通量關聯式進行驗證。

４ 結論

本實驗采用可視化手段對水力直徑為４．３５ｍｍ 垂直向上圓形小通道內流動機理和含氣率特性進行 研 究，表 觀 氣 速 ０．０１～２０ ｍ／ｓ，表 觀 液 速 ０．１５～ １ｍ／ｓ，可得到以下結論：
（１）垂直向上圓形小通道內氣液兩相流型有： 泡狀流、彈狀流、攪拌流和環狀流．隨著氣相表觀速 度的增加，泡狀流時，氣泡尺寸變小且氣泡向橫截 面方向擴散，彈狀流時，氣彈長度不斷增加，攪拌流 時，氣彈頭尾破碎程度不斷加劇，小氣泡進入連續 液相，環狀流時，液膜變得極不平緩．
（２）含氣率隨流型變化明顯，泡狀流和彈狀流 時含氣率通常在０．７以下（０＜α＜０．７），攪拌 流 時 含氣率在０．７和０．９之間（０．７≤α＜０．９），環狀流時 含氣率大于０．９（０．９≤α＜１）；隨氣相表觀速度的增 大，泡 狀 流、彈狀流和攪拌流的含氣率急劇增加， 而環狀流含氣率基本保持不變；隨液相表觀速度的增大，泡狀流和環狀流含氣率基本保持不變， 彈狀流和攪拌流含氣率減小．
（３）將本實驗數據和 Ｎｉｃｋｌｉｎ的漂移通量關聯 式預測值進行對比，發現該關聯式不能準確預測垂 直上升圓形小通道內氣液兩相流含氣率．圓形小通 道內氣液兩相流含氣率預測是個有待深入研究的 課題，作者下一步將對該課題進行深入研究，推導 可準確預測小通道氣液兩相流含氣率的新關聯式.