一种矩形通道内环状流气芯中液滴分布测量方法和装置与流程

本发明涉及一种环状流液滴浓度分布的测量方法，具体涉及一种矩形通道内环状流气芯中液滴分布测量方法和装置。

背景技术：

气液两相流体在绝热或者加热管道中流动时，因压力、流量、热流密度和管道形状的不同会出现各种气液两相分布形式，简称流型。环状流是气液两相流非常常见的一种流型。在这种流型中，液相沿管壁呈膜状流动，而气相在流道芯部流动，并且在气流中含有被气体从液膜带走的细小液滴。在加热管道中，沿流动方向上液膜被逐渐蒸发，气芯中的液滴也有部分沉积在液膜上。当液膜蒸发量、液滴在液膜上的沉积量总和使得液膜流量为零时加热壁面不能得到有效冷却，就会出现干涸型烧毁，出现加热壁面干涸型烧毁时的热流密度称为临界热流密度。干涸型烧毁临界热流密度与液膜的厚度、液滴浓度等参数息息相关。

环状流气流中液滴的浓度分布不仅与液膜厚度、液相流速、气相流速等因素有关，而且与流道的形状、流动方向等因素有关。尤其在倾斜或者水平流动中，在重力的作用下液滴倾斜于分布在流道下部。目前测量环状流中仅测量了气芯中液滴的总浓度，为了提高干涸型临界热流密度模型的预测能力，尤其是倾斜和水平流道的干涸型临界热流密度模型，非常有必要测量环状流气芯中液滴分布的方法，获得气芯中液滴的分布特性，发展环状流液滴分布机理模型，从而优化干涸型临界热流密度计算分析模型。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是测量环状流气芯中液滴分布，目的在于提供一种矩形通道内环状流气芯中液滴分布测量方法和装置，解决矩形通道内环状流气芯中液滴分布的测量难题，获得气芯中液滴的分布特性，发展环状流液滴分布机理模型，从而优化干涸型临界热流密度计算分析模型。

本发明通过下述技术方案实现：

一种矩形通道内环状流气芯中液滴分布测量方法和装置，包括液相控制装置和气相控制装置，液相控制装置由依次连接的液相供应装置、液相流量调节阀和液相流量测量装置组成，气相控制装置由依次连接的气相供应装置、气相流量调节阀、气相流量测量装置组成，还包括与液相控制装置和气相控制装置相连的矩形流道，矩形流道上设置有液膜流量测量装置，矩形流道还连接有液滴收集和测量装置。液相供应装置可以采用自来水和加热水箱来提供不同温度、流速的水。气相供应装置可以采用空压机和加热器来提供不同温度、流速的空气。通过调节液相流量调节阀和气相流量调节阀的开度可以调节液相和气相的流量。液相流量测量装置和可以气相流量测量装置采用文丘里流量计、V锥流量计或者质量流量计。液相供应装置产生的水经液相流量调节阀和液相流量测量装置后，与气相供应装置产生的空气进行混合，然后进入矩形流道。通过调节液相流量调节阀和气相流量测量装置可以使矩形流道出现不同液膜厚度、液滴浓度分布的环状流流型。通过在矩形流道上设置液膜流量测量装置和液滴收集和测量装置，测量矩形流道内不同液膜厚度、液滴浓度的分布。

所述矩形流道由金属矩形流道、设置在金属矩形流道上的溢流孔以及与溢流孔对应的液膜收集容器组成，所述液膜流量测量装置与液膜收集容器相连。矩形流道主要由金属矩形流道、溢流孔和液膜收集容器构成。金属矩形流道可以根据板式换热器、核反应堆板式燃料元件的流道结构做出不同长宽比的结构。气液两相流在矩形流道内流动时，液膜沿金属矩形流道流动，气体夹带液滴在矩形流道中间流动。在金属矩形流道出口设计了7排溢流孔。溢流孔离出口不能太远，也不能太近5～10mm较佳。当溢流孔远离金属矩形流道出口会导致出口的液滴浓度分布发生变化。如果溢流孔离出口太近，液膜厚度较厚时，液膜不能全部从溢流孔排出就会影响液滴浓度分布测量结果。液膜从溢流孔流出后进入液膜收集容器。液膜收集容器出口与液膜流量测量装置相连。液膜流量测量装置可以采用量筒、量杯进行测量单位时间内的液体质量获得液膜流量

所述液滴收集和测量装置主要由分离格栅、不锈钢丝网和液滴收集器构成。栅格旁边两边为液滴收集器，一个分离栅格旁边为独立的液滴收集器，液滴收集和测量装置主要由分离格栅、不锈钢丝网和液滴收集器构成。经分离格栅隔离后的气水两相混合物通过不锈钢丝网后，空气从网孔离开液滴收集和测量装置，液滴积在不锈钢丝网下表面，在重力的作用下沿不锈钢丝网表面流入液滴收集器。

一种适用于矩形通道环状流液滴分布的方法，包括以下依次进行的步骤：

A、在矩形通道设置的溢流孔对环状流的液膜与气芯进行分离；

B、对步骤A中分离出的气芯，采用分离格栅对气芯进行分区隔离；

C、对步骤B中进行隔离后的气芯，测量每个区域的液滴流量，计算液滴的分布。通过调节液相流量调节阀和气相流量测量装置可以使矩形流道出现不同液膜厚度、液滴浓度分布的环状流流型。通过在矩形流道上设置液膜流量测量装置和液滴收集和测量装置，测量矩形流道内不同液膜厚度、液滴浓度的分布。

采用液滴收集和测量装置可以将液滴从气芯中分离，且不影响液滴的测量结果。经分离格栅隔离后的气水两相混合物通过不锈钢丝网后，空气从网孔离开液滴收集和测量装置，液滴积在不锈钢丝网下表面，在重力的作用下沿不锈钢丝网表面流入液滴收集器；通过测量液滴收集器液滴收集量来获得各隔离通道内液滴的分布。综合液相流量测量装置测得的液相总流量、液膜流量测量装置测得的液膜流量和液滴收集器测得的液滴流量结果，发现各液滴收集器测得的液滴流量总和与液相总流量减液膜流量的差值的偏差在10％以内。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种矩形通道内环状流气芯中液滴分布测量方法和装置，可以准确测量矩形通道内环状流汽芯中液滴的分布特性；

2、本发明一种矩形通道内环状流气芯中液滴分布测量方法和装置，可以通过现有设备的改进实现，成本低；

3、本发明一种矩形通道内环状流气芯中液滴分布测量方法和装置，安装方便，使用简单。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明矩形流道结构示意图；

图3为本发明液滴收集和测量装置示意图；

图4为本发明液滴收集和测量装置示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-液相供应装置，2-液相流量调节阀，3-液相流量测量装置，4-气相供应装置，5-气相流量调节阀，6-气相流量测量装置，7-矩形流道，8-液膜流量测量装置，9-液滴收集和测量装置，10-金属矩形流道，11-溢流孔，12-液膜收集容器，13-分离格栅，14-不锈钢丝网，15-液滴收集器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1至4所示，本发明一种矩形通道内环状流气芯中液滴分布测量方法和装置，液相供应装置1可以采用自来水和加热水箱来提供不同温度、流速的水。气相供应装置4可以采用空压机和加热器来提供不同温度、流速的空气。通过调节液相流量调节阀2和气相流量调节阀5的开度可以调节液相和气相的流量。液相流量测量装置3和可以气相流量测量装置6采用文丘里流量计、V锥流量计或者质量流量计。液相供应装置1产生的水经液相流量调节阀2和液相流量测量装置3后，与气相供应装置4产生的空气进行混合，然后进入矩形流道7。通过调节液相流量调节阀2和气相流量测量装置6可以使矩形流道7出现不同液膜厚度、液滴浓度分布的环状流流型。矩形流道7的结构如图2所示。矩形流道7主要由金属矩形流道10、溢流孔11和液膜收集容器12构成。金属矩形流道10可以根据板式换热器、核反应堆板式燃料元件的流道结构做出不同长宽比的结构。气液两相流在矩形流道内流动时，液膜沿金属矩形流道10流动，气体夹带液滴在矩形流道7中间流动。在金属矩形流道10出口设计了7排溢流孔11。溢流孔11离出口不能太远，也不能太近5～10mm较佳。当溢流孔11远离金属矩形流道10出口会导致出口的液滴浓度分布发生变化。如果溢流孔11离出口太近，液膜厚度较厚时，液膜不能全部从溢流孔11排出就会影响液滴浓度分布测量结果。液膜从溢流孔11流出后进入液膜收集容器12。液膜收集容器12出口与液膜流量测量装置8相连。液膜流量测量装置8可以采用量筒、量杯进行测量单位时间内的液体质量获得液膜流量。液滴收集和测量装置9主要由分离格栅13、不锈钢丝网14和液滴收集器构成。针对矩形通道7宽窄边的不同，设计了两种分离格栅13、不锈钢丝网14和液滴收集器15。图3和图4分别为窄和宽边液滴分布测量的液滴收集和测量装置9示意图。图3显示流窄边方向进道分离格栅13将矩形流道7出口截面上的液滴沿行分离，通过测量各分隔区域的液滴质量流量来测量矩形通道气芯中液滴浓度沿窄边的分布。经分离格栅13隔离后的气水两相混合物通过不锈钢丝网14后，空气从网孔离开液滴收集和测量装置9，液滴积在不锈钢丝网14下表面，在重力的作用下沿不锈钢丝网14表面流入液滴收集器15。不锈钢丝网14的倾斜角度最好在45度至70度之间，倾斜角度太小液滴汇集聚集成大液滴后直接下落影响测量结果，倾斜角度太大不易保证不锈钢丝网14的平整性，从而影响液滴往液滴收集器15的流动。不锈钢丝网14至少应到达100目，这样才能使绝大部分液滴不会被空气带出液滴收集和测量装置9。通过测量液滴收集器15液滴收集量来获得各隔离通道内液滴的分布。综合液相流量测量装置3测得的液相总流量、液膜流量测量装置8测得的液膜流量和液滴收集器15测得的液滴流量结果，发现各液滴收集器15测得的液滴流量总和与液相总流量减液膜流量的差值的偏差在10％以内。根据各液滴收集器15测得的液滴流量可以得到环状流中液滴浓度沿窄边方向的分布。图4显示分离格栅13将矩形流道7出口截面上的液滴沿宽边方向进行分离，通过测量各分隔区域的液滴质量流量来测量矩形通道气芯中液滴浓度沿宽边的分布。在相同试验参数条件下，即入口液相流量、温度；入口空气流量、温度均相同，采用窄边液滴分布测量装置测量矩形通道环状流气芯中液滴沿窄边的分布，采用宽边液滴分布测量装置测量矩形通道环状流气芯中液滴沿宽边的分布，综合宽窄边的测量结果可以得到矩形通道环状流气芯中液滴的分布。改变矩形流道7的倾斜角度，可以获得不同倾斜角度条件下矩形通道环状流气芯中液滴的分布。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。