输水管道气液两相流波动性分析

摘要:文章从两个方面分析了输水管道的两相流波动性,针对有压供水含气管道的波动特征和流动模型对波动性进行了分析。根据压差波动性得出流型识别的方法,并进一步分析了各流型的波动特性。

关键词:输水;两相流;波动性

中图分类号:TQ021.1 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)20-0061-02

90年代以来,我国给水事业在许多方面都有了飞跃的发展,并取得了接近或达到国际先进水平的成果,但水的安全输配还有许多问题至今还不能用理论很好地解决,尤其是有压输水管道气水两相流流态不能用完善的理论来解释,两相流压力变化的难控性往往造成事故隐患,导致巨大经济损失。

气液两相流流动要比均质流动复杂得多,由于两相流的同时存在使流体力学理论和经验分析也比较复杂,这主要是由动力波和两相间管道内壁间的相互作用造成的。在过去几十年中许多专家学者对两相流动进行了广泛的研究和实验分析,然而几乎没有发现并精确地预测它们之间的相互关系。由于气液两相流技术有巨大实用价值和较高的经济效益,系统地对其进行分析具有重要的意义。

1气液两相流中的密度波

两相流管道中的流体变化有两种表现方式,分别是密度波和压力波。密度波是由两相流体空隙度变化导致密度变化而产生的,其传播方向只有一个,又称为空隙度波或连续波;压力波是由压缩效应引起流体密度变化而产生的波。密度波能反映两相流的本质特征,比压力波更常见,两相流中的许多现象都与其有关,如流型转变和密度波型脉动等现象,当其传播速度为零时两相流出现所谓的运动阻塞[1]。

1.1密度波的线性理论

研究气液两相流的密度波时,一般将气相作不可压缩处理,因此可区别于压力波,但密度波本质上是非线性的,其特征线会相交,波动发展会形成间断。对密度波进行完整的非线性分析很难得到精确解,但对其线性分析可推断出密度波的非线性特征。利用简化的双流体模型可以很好的对密度波线性分析,如Pauchon 和Banerjee[1,2]通过多区域平均模型对单维两相流进行密度波的线性分析,取得的结果十分合理。拉赫易[3]也分析了密度波的两个特征波速,他进一步指出,相同角频率的密度波其传播速度并不相同。密度波主要以较大的一种速度的传播,频率接近零的传播速度就是威尔士的连续波速[4];当阻尼较大时密度波会通过较小的一种速度传播,但在试验中一般难以测得。拉赫易对密度波进行了理论分析,将其分为以下四种:高频高速波、低频高速波、高频低速波和低频低速波四种。由于后两种低速波在一般试验中较难测得,因此,实际意义较大的波为前两种高速波,分别对应于Pauchon和Banerjee分析的高频波和低频波。

密度波线性理论的发展对于两相流波速计算,高、低频波的特征预测及波的不稳定性分析等,与大量的试验相吻合。但要分析密度波型脉动性和色散特性等需对密度波线性理论更进一步完善。

1.2 密度波的非线性理论

本质上密度波是非线性波,小扰动不稳定密度波的传播和叠加等,将形成有限振幅波或激波。拉赫易应用双流体模型推得气液两相流密度波的有限振幅波动方程为:

该式是威尔士对连续激波波速的定义式。拉赫易通过(1)和(2)式分析得到有限振幅波的6种波阵面分布,两相流在CS的初始状态和最终状态的较大特征速度之间发生间断。小扰动线性波与有限振幅波或激波之间存在某种联系,但至今对密度波非线性理论还没有通过试验验证。

用密度波的线性及非线性理论可以解释气水两相流的流型转变(如泡状流向塞状流的转变)、气塞的形成等现象。

2气液两相流中的压力波

气液两相流中压力波扰动是影响两相流流态的重要因素之一,由于两相流中气相与液相本质的差异,相界面运动以及气泡运动与液相的相互作用,伴随着压力波动现象。流动过程中由于气液界面的不断变化和两相间及各相与管壁之间的动量交换、能量交换等因素存在,使得气液两相流动中压力波的传播问题十分复杂。

2.1压力波的统计分析

分析不同流型的压力波动曲线统计,泡状流的波动能量最小,但其波动的频率范围较宽,波动过程满足高斯正态分布; 有球盖形气泡的塞状流,波动能量和概率密度分布与泡状流类似;有弹状大气泡的塞状流,波动幅度明显增加,并且波动的周期性十分明显,波动的频率范围变小(在0～1Hz之间),增加表观气速,压力波动幅度也增加,但概率分布分散;对块状流动,波动频率分布范围随气速的增加而增加,同时波动能量减小,概率密度分布逐渐集中;对环状流,波动能量随气速增加而增加,频率分布范围也增加,概率密度分布逐渐分散。

2.2压力波传播影响因素分析

目前,研究两相流中各种因素对压力波传播速度与衰减特性的影响模型有弹性模型、均质流模型和均匀单相流模型,但这些模型均采用比较理想化的假设,因此存在很多缺陷,不能确切描述气液两相流动中的压力波动。两流体模型可以避免这方面的不足[5],利用两流体模型理论发现压力波传播速度和衰减受含气率、系统压力、壁面剪切应力、扰动频率和封闭条件中虚拟质量力、拖曳力等因素的影响,而使气液两相流动变得不稳定,气液两相流动中压力波的传播问题十分复杂。

如气液泡状流中压力波传播影响因素呈现以下特点:系统压力的降低、含气率的增加以及壁面剪切应力的存在,都会降低压力波的传播速度,井使压力波衰减增大;扰动频率在低频时对波速和衰减的影响很小,且其变化比较平缓,但当频率达到400 Hz以上时,波速和衰减都趋于较高的稳定值;虚拟质量力和拖曳力均会降低压力波波速,增大高频范围内压力波的衰减幅度,而且虚拟质量力还会使压力波波速陡变时和衰减系数陡变时的频率均向低频方向移动[5]。

3两相流波动特征与流型

两相流动中介质的几何分布状况,即流型,很大程度影响两相流压力损失和传热传质等特性,也影响流动参数的准确测量以及流动系统的运行特性。

流型识别的传统方法有两类:一是通过流型图或根据流型转变关系式识别;另一类是通过实验测量。由于流型图缺乏普适性等缺点,计算过程带有很强的主观误差,因此不为提倡,而应用较多的是压差波动法鉴别流型,其原理如下:两相流动的扰动度随流型不同而变,不同流型的两相流体通过压差测量仪器时就会被记录下不同的波动信号。此外,利用压差波动信号代替绝对压力波动信号可以消除测量段外的各种因素对波动的影响,因此用压差波动信号法就可以判别流型。

流型不同压差时域信号便不同,各流型的压差波动也就不同。分层流:幅值在0～1 300 Pa的范围内,波动曲线近似为直线,波动十分不明显;波状分层流:有较小的波动,幅值在0～3 000 Pa的范围内;泡状流幅值在0～3 750 Pa的范围内,波动很小频率高;间歇流幅值在0～12 000 Pa的范围内,有一定的周期性,但很不规则,波动很大;环状流幅值在0～4 500 Pa的范围内,波动也很小。虽然不同流型的波动性差异较大,但不同流型的压差波动时域信号具有一定的相似性,如波状分层流和环状流,但无法准确反映流动的频率组成,这种情况在流型转变的过渡区表现得较明显。

4结 语

在城市自来水输送管路中,气液两相流动是一种非常普遍的现象。随着沿线输送压力的逐渐降低及沿程地势的变化,管道某些部位水中溶解的气泡会释放出来,形成气相和液相交替流动。

气液两相流动是一个极为复杂的水力过程,管道气液两相流动在有压供水工程中是一个非常重要的课题。对气液两相流进行深入研究,建立更精确的分析模型可以更好的掌握流体流动的规律,更精确的描述水、气介质在管内的流动状态。文章开展气液两相流波动性的研究就是要在国内外已有研究成果的基础上,结合输水管道气液两相流情况,通过对气液两相流模型、实用计算模型及计算方法研究,为气液两相流管道的工程设计和运行管理奠定科学基础。

参考文献:

[1] Ishii M.W ave Phenomena and Two2phase Flow nstability.In:Gad.Hetsronied.Handbook of Multiphase System[M]. Hemisphere,1982.

[2] Mandhane J M,Gregory GA,Aziz A.A flow pattern map for gas liquid flow in horizontal pipes[J].Int J MultiphaseFlow,1974,1(1):537-553.

[3] Lahey R T J r.Void wave propagation phenomena intwo phase flow[J].A IChE J,1991,37(1):123-135.

[4] Wallis G B.One dimensional Two-phase Flow[M].New York:Mc Graw Hill Co.,1969.

[5] 白博峰,郭烈锦,陈学俊.气液两相流压力波动特性[J]水动力学研究与进展,2003,(4):476-481.

[6] 松井刚一.水平管液内二相流の压差变动の统计的性质と流动样式[A].日本机械学会论文集[C].日本机械学会,1961.