梁法春,王棟,楊桂云,曹學(xué)文

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,266580,山東青島;2.西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

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氣液兩相流臨界分配特性及相分離控制

梁法春1,王棟2,楊桂云1,曹學(xué)文1

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,266580,山東青島;2.西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

為實現(xiàn)對氣液兩相流的均勻分配,提出了一種由旋流葉片、整流器以及兩個分流噴嘴組成的新型分配裝置。其工作原理是:通過旋流葉片將來流調(diào)整為均勻環(huán)狀流型,以保證兩分流噴嘴入口接觸氣液兩相流的幾率相等;通過噴嘴加速兩相流達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀?形成臨界流動,以克服噴嘴下游各支管路阻力特性不一致所導(dǎo)致的相分離。在氣液兩相流實驗環(huán)道上開展了實驗測試,實驗分配器分流噴嘴喉部直徑為8 mm,擴(kuò)張角為21°。實驗氣相折算速度范圍為7～20 m/s,液相折算速度范圍為0.013～0.16 m/s,出現(xiàn)的流型包括波浪流、段塞流以及半環(huán)狀流。結(jié)果表明:在噴嘴喉部氣液混合物速度達(dá)到聲速的條件下,氣液相分流系數(shù)接近理論值0.5,不受上游流型以及氣液流速的影響。側(cè)支管干度與主管干度最大偏差小于±5%,而當(dāng)液相折算速度小于0.02 m/s時,無法形成均勻環(huán)狀流,氣相更容易進(jìn)入側(cè)支管。提高液相折算速度以及噴嘴差壓在分配總壓降中所占比重,將有助于降低相分離程度。所提出的分配器結(jié)構(gòu)緊湊,無分離裝置和控制元件,基本無需維護(hù),有望在高壓兩相流分配系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

兩相流;分配器;控制;噴嘴;臨界流;流型

氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、核能、動力等諸多工業(yè)領(lǐng)域。在兩相流系統(tǒng)中通常面臨流體分配問題,即將上游兩相流流體均勻分流到下游多個支路中去。兩相流分配過程中,下游各支路氣液流量和組成并不完全一致,這就是所謂的相分離現(xiàn)象[1]。相分離的發(fā)生嚴(yán)重影響著下游設(shè)備的安全和高效運(yùn)行,如何實現(xiàn)氣液兩相均勻分配一直是多相流領(lǐng)域的研究熱點和前沿課題[2-4]。Y型和T型三通最早用于相分離控制,研究者希望通過構(gòu)建對稱分配結(jié)構(gòu)來消除相分離[5-7],但研究表明,氣液分配與入口流型、干度等因素有關(guān),對稱分配結(jié)構(gòu)只能保證在有限的氣液流速范圍內(nèi)實現(xiàn)均勻分配[2,8]。Wren等人提出在三通管內(nèi)加裝導(dǎo)向板等結(jié)構(gòu)來改善相分離特性,但僅對分層流有效,在其他流型下甚至還會強(qiáng)化兩相流體的相分離[9]。為了克服流型影響,一些研究者提出在入口設(shè)置加速管或混合器,對氣液兩相流進(jìn)行混合[10-11],這在一定程度上改善了分配特性,但無法從根本上消除相分離。王棟提出了轉(zhuǎn)鼓型和轉(zhuǎn)輪型兩種分配機(jī)構(gòu),利用氣液兩相流體驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓或轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn),從而各通道的入口端面不斷掠過上游流通截面,使管截面上的兩相流體機(jī)會均等地流入各個下游通道[12-13],但其分配核心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)輪或轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造困難,且為運(yùn)動部件,在高氣液比條件下容易發(fā)生卡堵。研究表明,氣液兩相流分配不但取決于分配器結(jié)構(gòu),還與各分配器入口參數(shù)以及下游管路的壓力分布密切相關(guān)[1-2,14],即使分配通道結(jié)構(gòu)完全相同且安裝完全對稱,如果各分配通道入口氣液相分布不同或下游各支管路阻力特性不一致也會發(fā)生相分離。氣液兩相流在臨界流動條件下的流動特性主要取決于上游參數(shù),而與下游壓力波動無關(guān)[15-16]。以此為靈感,本文提出了基于流型調(diào)整和臨界分流的氣液兩相流分配新方法,通過設(shè)置旋流葉片和臨界分流噴嘴實現(xiàn)了氣液兩相流的均勻分配。

1 氣液兩相流兩噴嘴分配特性及相分離控制原理

1.1 氣液兩相流量兩噴嘴分流特性分析

圖1為氣液兩相流通過兩分流噴嘴分配的示意圖,來自于主管1的氣液兩相流進(jìn)入分流噴嘴2、3后,再進(jìn)入下游支管路。氣液兩相流通過分流噴嘴產(chǎn)生的壓降可用下式計算[17]

ΔP1/2=M(a+bX)

(1)

式中:M為通過噴嘴的氣液混合物質(zhì)量流量;ΔP為兩相流通過噴嘴產(chǎn)生的差壓;X為通過噴嘴的兩相流質(zhì)量含氣率;a、b為常數(shù),取決于噴嘴結(jié)構(gòu)[18]。

圖1 氣液兩相流分配示意圖

由式(1)可知,兩相流通過分流噴嘴2、3時產(chǎn)生的差壓分別為

ΔP121/2=M2(a2+b2X2)

(2)

ΔP131/2=M3(a3+b3X3)

(3)

式中:ΔP12、ΔP13分別為分流噴嘴2、3兩側(cè)差壓;M2、M3分別為通過噴嘴2、3的氣液混合物質(zhì)量流量;X2、X3分別為進(jìn)入分流噴嘴2、3的兩相流質(zhì)量含氣率。

如果兩個分流噴嘴結(jié)構(gòu)完全相同,則有a2=a3,b2=b3;如果為均勻分配,則有M2=M3,X2=X3。由式(2)、(3)可知,ΔP12=ΔP13,即P2=P3?？梢?如果要實現(xiàn)均勻分配,兩分流噴嘴出口需具有相同的壓力。事實上,由圖1可知,兩分流噴嘴出口壓力P3、P2由分流噴嘴下游管路的阻力特性決定

P3=ΔP30+P30

(4)

P2=ΔP20+P20

(5)

式中:P30、P20分別為支管3、2的出口壓力;ΔP30、ΔP20分別為噴嘴3、2下游支管路中阻力損失。在實際分配系統(tǒng)中,P30、P20并不一定相等,此外ΔP30、ΔP20與管路規(guī)格、傾角、氣液流量、流型等參數(shù)相關(guān),也并不一定完全一致?？梢?為實現(xiàn)均勻分配,以保證各個分流噴嘴具有相同的流動特性,其關(guān)鍵在于保證各個分流噴嘴入口參數(shù)相同,并消除下游各支管路阻力特性不一致所導(dǎo)致的相分離。為此,本文提出了基于流型調(diào)整和臨界分流的相分離控制新方法。

1.2 均勻分配原理

流型調(diào)整:在分流噴嘴上游設(shè)置流型調(diào)整裝置,將不對稱流型調(diào)整為液膜厚度沿周向分布均勻的環(huán)狀流,以保證各個分流噴嘴入口接觸氣液相的幾率相等。

臨界分流:即利用噴嘴對氣液混合物進(jìn)行加速,促進(jìn)氣液兩相流在噴嘴喉部達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀?形成臨界流動。根據(jù)臨界流動特性,通過噴嘴的流量只受上游滯止參數(shù)影響,而與下游壓力波動無關(guān)[19]。通過臨界流動形成“相分離控制閥”,切斷下游壓力擾動向上游的傳播途徑,從根本上抑制下游各支管路阻力特性不匹配所導(dǎo)致的相分離。

氣液兩相流聲速可用Wood聲速公式計算[19]

(6)

式中:γ為氣體絕熱指數(shù);R為氣體常數(shù);TG為氣相溫度;X為氣液兩相流質(zhì)量含氣率;β為體積含氣率。

研究表明,氣液兩相混合物具有低聲速特點,氣液兩相混合物聲速遠(yuǎn)低于對應(yīng)的單相氣體或單相液體聲速。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,體積含氣率為0.5時,氣液混合物聲速只有20 m/s左右[20]?？梢?與單相氣體或液體相比,氣液兩相臨界流動更易實現(xiàn)。

2 實驗分配器結(jié)構(gòu)

根據(jù)流型調(diào)整和臨界分流均勻分配原理研制的實驗分配器結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由主管路1,分流噴嘴2、3,以及旋流葉片和整流器組成。旋流葉片由多組螺旋葉片繞制而成。整流器為漸縮漸擴(kuò)結(jié)構(gòu),旨在使螺旋液膜分布更加均勻。兩分流噴嘴結(jié)構(gòu)完全相同,布置在整流器下游,與主管路管壁垂直,噴嘴下游主管由盲板密封。主管管徑為40 mm,兩側(cè)支管直徑均為30 mm。分流噴嘴2、3的結(jié)構(gòu)完全相同,喉部為直管段,直徑為8 mm,擴(kuò)張角為21°。兩分流噴嘴出口與相應(yīng)的側(cè)支管路相連。

氣液兩相來流通過旋流葉片時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,在離心力作用下分層流、段塞流、半環(huán)狀流等不對稱流型被整改為液膜沿周向均勻分布的環(huán)狀流。由于兩取樣噴嘴入口距離旋流葉片末端很近,液膜邊沿軸線運(yùn)動邊做周向旋轉(zhuǎn),盡管主管1水平布置,但在較高液相折算速度下切向力對液膜分布影響遠(yuǎn)大于重力,分配截面上氣液基本呈均勻分布,從而不同位置的分流噴嘴接觸氣液相的幾率基本相等。氣液兩相流通過分流噴嘴時,由于分流噴嘴直徑遠(yuǎn)小于主管路直徑,隨著流通面積的突然減小,氣液兩相流速迅速增加。如果在喉部速度達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀?根據(jù)臨界流理論,進(jìn)入噴嘴的氣液兩相混合物將只取決于上游參數(shù),而與下游各支管路壓力分布無關(guān)。由于兩噴嘴結(jié)構(gòu)相同,則其分流特性也將完全一致,從而實現(xiàn)了氣液兩相均勻分流。

(a)分配器組成 (b)A-A視圖圖2 實驗分配器結(jié)構(gòu)示意圖

3 實驗系統(tǒng)

實驗在如圖3所示的氣液兩相流實驗環(huán)道上進(jìn)行,氣、液介質(zhì)分別采用空氣和水。主管氣相質(zhì)量流量M1G和液相質(zhì)量流量M1L經(jīng)計量后在混合器中混合,隨后進(jìn)入測試段。測試段內(nèi)徑為40 mm,上游安裝有透明有機(jī)玻璃管制成的流型觀察窗。氣液兩相流體經(jīng)過實驗分配器來流被分成兩部分,其中一部分進(jìn)入支管2,另一部分進(jìn)入支管3。進(jìn)入支管2的流體在兩相流管道末端由分離器分離成氣液兩相,氣相排空,液相返回水箱循環(huán)。進(jìn)入支管3的流體則進(jìn)入計量分離器進(jìn)行分離計量,其中液相流量M3L采用高準(zhǔn)質(zhì)量流量計測量,氣相體積流量采用橫河氣體旋渦流量計測量。為獲得質(zhì)量流量M3G還同時測量了當(dāng)?shù)販囟群蛪毫Α?/p>

圖3 實驗測量系統(tǒng)示意圖

實驗過程中,實驗分配器主管1和分流噴嘴2水平布置,噴嘴3保持垂直向上。實驗液相折算速度范圍為0.013～0.16 m/s,氣相折算速度范圍為7～20 m/s。實驗中出現(xiàn)的流型包括波浪流、段塞流以及環(huán)狀流。

為表征實驗分配器的分配特性,采用分流系數(shù)KG、KL判斷分配過程中是否發(fā)生相分離以及相分離的程度。KG、KL分別為進(jìn)入分支管路3的氣、液相質(zhì)量流量與主管路相應(yīng)質(zhì)量流量的比值。

4 實驗結(jié)果與討論

為了判斷取樣過程中是否達(dá)到臨界流動,將噴嘴喉部氣、液混合速度Vh與式(6)計算的理論聲速值Cm進(jìn)行了對比,見圖4。從圖中可以看出,在環(huán)狀流和段塞流型下,分流噴嘴喉部聲速與理論聲速接近,而在部分波浪流型下,噴嘴喉部速度遠(yuǎn)小于聲速。這表明在高氣液相流量下,容易實現(xiàn)臨界流動,而在波浪流型下,因氣液流速小,未達(dá)到臨界流動。實驗范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)由于產(chǎn)生兩相流激波所導(dǎo)致分流噴嘴壓力急劇增加的現(xiàn)象。

圖4 氣液兩相流通過噴嘴實際流速與理論聲速對比

圖5為氣液相分流系數(shù)實驗測量結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)液相折算速度USL大于0.02 m/s時,氣相分流系數(shù)KG與液相分流系數(shù)KL基本相等,且均在理論值0.5左右波動,與流型無關(guān),表明進(jìn)入側(cè)支管3中的氣液流量均為主管路的一半,實現(xiàn)了均勻分配。從圖5還可看出,實驗分配器在段塞流型下也有極好的分配效果。段塞流是氣液兩相流中最為復(fù)雜的流型,表現(xiàn)為氣泡和液塞交替流過管截面,常規(guī)分配設(shè)備難以實現(xiàn)均勻分配,而通過流型調(diào)整和臨界分流,使得分配器在結(jié)構(gòu)對稱的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實現(xiàn)了各下游支路入口流型對稱和阻力對稱,從而兩分流噴嘴具有一致的流動特性。

當(dāng)液相折算速度小于0.02 m/s時,KG開始高于理論值,且隨著液相折算速度的減小偏差加大。其主要原因是,液相密度遠(yuǎn)大于氣相,氣液兩相流在旋流葉片中旋轉(zhuǎn)所需動量主要由液相提供。由于實驗分配器主管1水平布置,當(dāng)液相流速較小時沒有足夠的動量驅(qū)動氣液旋轉(zhuǎn)形成均勻的環(huán)狀流,在重力作用下,底部液膜較厚,頂部液膜較薄,無法保證兩分流噴嘴具有相同的入口條件。噴嘴3位于管壁頂部,此處液膜相對較小,因此進(jìn)入支管3的液量降低,而氣相對阻力變化敏感,更容易穿透較薄液膜進(jìn)入支管3,從而導(dǎo)致支管3的氣相分流系數(shù)大于理論值,而液相分流系數(shù)小于理論值。

(a)氣相分流系數(shù)

(b)液相分流系數(shù)圖5 流型對氣液相分流系數(shù)的影響

值得一提的是,在波浪流型下,當(dāng)液相折算速度大于0.02 m/s時,由圖4可知,雖然未達(dá)到臨界流動,但其分流系數(shù)依然維持在0.5左右。其主要原因是進(jìn)入噴嘴的氣液流量主要取決于噴嘴入口條件和前后差壓。對于實驗分配系統(tǒng),支管2、3出口壓力均為大氣壓,因此兩支管路出口壓力相等,即P30=P20。若氣液兩相流通過噴嘴下游支管路的阻力損失遠(yuǎn)小于在噴嘴處產(chǎn)生的壓降,即ΔP30?ΔP13,ΔP20?ΔP12,根據(jù)圖1所示的阻力關(guān)系,則有ΔP13?ΔP12,表明兩噴嘴前后差壓基本一致,從而兩噴嘴分流特性也基本相同。可見,如果氣液兩相流通過噴嘴的壓降在分配體系總壓降中占主要部分,則有助于在一定程度上降低相分離程度。

圖6為支管3質(zhì)量含氣率與主管路對比,可見在0.08～0.8的質(zhì)量含氣率范圍內(nèi),側(cè)支管3中兩相流質(zhì)量含氣率與主管1基本一致,最大偏差小于±5%。這表明支管3與主管路基本具有相同的氣液組成,而對于傳統(tǒng)的三通型分配器,氣液相在分配時將發(fā)生顯著的相分離,由于液相密度大,主要進(jìn)入水平支管,進(jìn)入豎直向上支管的基本全為氣相。對于本文提出的分配器,由于實行了流型調(diào)整和臨界分流,兩噴嘴流動特性基本一致,在較寬的質(zhì)量含氣率范圍內(nèi)實現(xiàn)了均勻分配。

圖6 支管3與主管1的質(zhì)量含氣率對比

5 結(jié) 論

(1)單純的結(jié)構(gòu)對稱無法保證均勻分配,克服相分離的關(guān)鍵是保證各個下游支管路入口氣液分布相同以及出口差壓相等,為此提出了調(diào)整流型和臨界分流的新型分配方法,并研制了具有兩個分流噴嘴的新型分配器結(jié)構(gòu)。

(2)實驗結(jié)果表明:在臨界分流條件下,氣液相分流系數(shù)與入口氣液相折算速度、流型、含氣率等參數(shù)無關(guān),能夠在寬廣的實驗范圍內(nèi)維持恒定,消除了氣液分配過程的相分離。

(3)在未到臨界分流條件時,氣液相分流系數(shù)主要受液相折算速度以及噴嘴兩側(cè)差壓在分配總壓降中所占比重影響,提高二者數(shù)值有助于降低相分離程度。

(4)本文所提出的分配器結(jié)構(gòu)緊湊,無活動部件、分離裝置和控制元件,有望在高壓兩相流分配系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

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(編輯 荊樹蓉)

Gas-Liquid Two-Phase Flow Critical Distribution Characteristic and Phase Splitting Control

LIANG Fachun1,WANG Dong2,YANG Guiyun1,CAO Xuewen1

(1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China; 2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A novel distributor was proposed to uniformly distribute the gas-liquid two-phase flow. The distributor consists of a swirl vane, a flow adjuster and two nozzles. The swirl vane is used to change the upstream flow into annular flow with uniform film thickness for both nozzles having same inlet condition. The function of the nozzles is to accelerate the gas-liquid mixture to reach local sonic velocity and eliminate the phase separation due to the difference of resistance characteristics of the two branches. The throat diameter of the experimental nozzle is 8 mm and the expansion angle is 21°. Experiments were carried out in an air-water two-phase flow loop. The superficial liquid velocity was in the range of 0.013-0.16 m/s and the superficial gas velocity varied from 7 m/s to 20 m/s. The flow patterns observed included wavy flow, slug flow and semi-annular flow. It was found that equal distribution was obtained under critical flow condition. The splitting ratio of gas and liquid was close to the theoretical value (0.5) and independent of flow patterns, superficial gas or liquid velocity. The maximum quality deviation between outlet branch and the inlet pipe was less than ±5%. When the superficial liquid velocity was below 0.02 m/s, no uniform annular flow was achieved and the gas preferred to enter the top branch. Increasing the superficial liquid velocity and the ratio of nozzle pressure loss to the total pressure loss could help to reduce phase separation. The proposed device has the advantages of small size and low cost, and can be used in high pressure gas-liquid two-phase system.

two-phase flow; distributor; control; nozzles; critical flow; flow patterns

2014-05-01。

梁法春(1977—),男,副教授。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51006123);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項基金資助項目(14CX05028A)。

時間:2014-10-15

10.7652/xjtuxb201501009

O359

A

0253-987X(2015)01-0053-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141015.1752.002.html