浅议气液两相流流经阀门局部的阻力特性研究

发布时间:2011-11-30  点击数:3053

    气液两相流动阻力计算是两相流领域的重要研究课题之一,也是工业设计和设备选型的重要依据。管路系统中常装有各种管件,诸如突然扩大接口、突然缩小接口、孔板、弯头、三通、调节阀以及各种分叉管等。阀门在管道运输及管道连接方面是不可缺少的,应用非常广泛,其内部流动也有许多特殊性。当气液两相流体流过这些管件时,会发生局部阻力压降。随着工业发展和科学技术的进步,有关两相及三相流动的应用越来越多,管道流动压降的精确计算越来越显重要,到目前为止,有关弯管内的气(汽)水两相流局部阻力特性已有广泛的研究,但有关气水两相流流过阀门局部阻力特性研究却很少,因此对气液两相流流过闸阀的局部阻力特性做了研究。

一、实验系统与装置

    实验是在东北电力大学动力馆流体实验室的两相流实验台上进行的。实验系统见图1,实验段是内径38mm的无缝钢管,DN40mm的闸阀。

图1 气液两相流实验系统示意图

    流体水平进入实验段,水平流出,见图2。实验中,流量、压力、温度、压差等测量信号都利用IMP板引入IBM/386DX兼容机进行监视、记录。为了测量到比较真实的两相流流过阀门的局部阻力,沿流体流过阀门的前后布置两个测点,每个测点处的横截面上均匀地开4个3mm的取压小孔,由导管与压力变送器和1151DP电容式差压变送器相连,可测得实验段压差。

图2 实验段示意图

二、常用的阀门局部阻力压降的计算公式

    在气液两相流通过阀门的两相流局部阻力特性研究中,通常采用按均相流列出的基本计算式来计算阀门的局部阻力。

    

    其中 ξs=Csξ

    

    ΔPTP—气液两相流通过阀门的局部压降,Pa;
    ξs—两相流体通过阀门时的局部阻力系数;
    ξ—单相流体通过阀门的局部阻力系数;
    Cs—校正系数;
    C—系数,对闸阀,取C=0.5;
    x—气体质量含气率;
    G—质量流速,kg/(m2•s);
    ρL—液相密度,kg/m3
    ρG—气相密度,kg/m3

三、实验结果与分析

    1、采用的实验数据处理方法

    作者在利用上述模型计算水气两相流体流过闸阀的局部阻力压降时发现,上述公式计算的数值与实验数据存在较大差距,公式(1)采用的是均相模型,均相模型是将两相流看作是两种混合十分均匀的流体。但是在实际管内的气液混合物在流动过程中并非均匀混合的,而是以各种流型在流动的。因此,应用均相模型法计算气液两相流体的局部阻力压降,一般会带来较大的误差。只有采用修正的均相模型法,才能使计算结果更符合实际工况。修正的均相模型法的数学表达式如下。

    

    Φ—修正系数,根据实验数据确定。

    Φ值的物理意义为实际的汽水混合物的局部阻力压降与用均相模型两相局部阻力压降计算式(1)算得的局部压降之比。如果Φ=1,则表明在此工况下,应用均相模型法计算式计算两相局部压降是准确的;Φ值偏离1.0愈远,则表明应用均相模型法算得的值和实际值偏差愈大,见图3。由图3可见在各种工况下Φ值最大值可达3.4,这表明在某些工况下,应用均相模型法计算汽水混合物在管内流动时通过闸阀局部阻力压降,其误差可达350%。因而只有对均相模型法进行修正,即采用式(3),才使结果接近于实际工况。

图3 气液两相Φ-x关系曲线图

    利用CXPTW软件对上述曲线分别进行数据拟和,通过对各种回归模式进行误差分析后,获得修正系数Φ随质量含气率x变化的最佳数学模型。

    

    式中:

    Φ—修正系数;
    x—气体质量含气率;
    a、b、c—待定系数。

    拟和结果表明,待定系数与管径相关,具体数值需通过实验确定。将实验数据代入用最小二乘法确定待定系数。得出修正系数Φ随质量含气率x变化的拟合关系式。

    

    把公式(5)代入公式(3)得

    

    2、实验结果和均相模型公式(1)及关联式(6)的比较

    前面作者拟合了Φ的计算式,为验证本实验数据与公式(1)及关联式(6)的符合程度,将实验值标定在以ΔPTP为纵坐标,K为横坐标的坐标图见图4,对(1)的均相模型的计算式及关联式(6)的计算结果及实验值进行了比较。

图4 闸阀实验ΔPTP2K曲线图

   由图4可知,气水两相流体流过实验段的ΔPTP-K关系曲线的比较,发现K≤0.06,公式(1)的结果偏离实验值比较大,在K≥0.06时接近实验值。而用本实验所关联式(6)与实验值符合良好。

四、结论

    对气水两相流流过闸阀的局部阻力特性进行了研究,并与其常用的均相模型进行了比较,结果表明:气液两相流流过阀门时,流动状态不完全是均相流动。均相流动模型计算式在计算气液两相流体流过闸阀的局部阻力压降时有一定的缺陷,而利用作者提出的处理方法能很好的符合。