[发明专利]一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置及流型判别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置及流型判别方法。

背景技术

多相流流动的现象在自然界和现代工业生产过程中广泛存在，而且与人类的生活和生产活动息息相关。汽液两相流动现象常见于化学工业和动力工程的换热设备以及油气集输管路中,不同环境下两相流具有不同的流动形态,即流型。两相流流型极大地影响着汽液两相流的流动特性和传热传质特性，同时对流动参数的准确测量以及两相流系统的运行特性也有很大影响。在汽液两相流研究工作的早期，由于缺乏此方面的知识，曾经发生过不少工业事故。因此对于气液两相流流型识别的研究应该给予高度重视，此方面研究不仅具有重要的学术意义和实用价值，也为相关工业生产设备经济、安全的设计和运行提供了强有力的技术支持。正因为如此，汽液两相流流型识别的研究一直是两相流研究领域的一个重要课题。

目前，国内外学者对两相流进行了广泛的研究，发现两相在流动过程中均发生变形，两相界面及两相介质的分布状态不断变化，导致流型的复杂化和多样化。流型划分方法一般分为两类:一是直接法，即根据两相流流动图像的形式直接确定流型;二是间接法，即通过对反映流型特性的参数进行特征提取，通过其他的识别系统以达到流型识别的目的。已有的流型划分方法均受到实验条件、操作者的经验及流型识别技术的限制，所以只能对特定条件下的两相流流型进行定性分析，而且已有的研究多局限于低压绝热工况的管内流动，没有涉及高压管束间沸腾传热汽液两相流动，而管束间沸腾传热汽液两相流流型判别对工业用蒸汽发生器、沸腾管、锅炉、核反应堆等大型换热设备的安全经济运行具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置，能够在高温高压状态下实现实验测定，并获得汽液两相流型变化图像；利用该实验装置，提供一种可视化的流型判别方法。

本发明基于同一发明构思，具有两个独立的技术方案：

1、一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置，包括压力容器，压力容器外接有进口管和出口管，其特征在于：压力容器前后两侧对称开有上、下2个可视化视窗；还包括激光发生器、高速摄像机，激光发生器位于压力容器的后侧，与压力容器后侧可视化视窗位置相对应，高速摄像机位于压力容器的前侧，与压力容器前侧可视化视窗位置相对应；

压力容器内设有电加热管，并在电加热管上设有热电偶传感器，压力容器上装有压力传感器、液位传感器、双头电导探针，压力容器进口管和出口管处设有流量计和铠装热电偶；

电加热控制系统导线穿过压力容器外壳与电加热管连接，数据采集系统导线与测量传感器及高速摄像机连接。

压力容器内均匀设有多根电加热管，电加热管为直管。

电加热管为单端引出，引出棒并行元件，其内部根据引出棒布置合金电阻丝，外部引出棒与电加热控制系统导线连接，根据流体流量及入口温度改变电阻丝两端的电压以调节加热量。

压力容器内均匀设有16根电加热管，选取其中5根电加热管，每根加热管沿竖向均匀设有5个热电偶。

压力容器设有3个压力传感器，分别在压力容器左侧上、中、下三个位置设置；1个液位传感器在压力容器右侧的上部设置；2个双头电导探针分别布置在压力容器左侧上部和中部。

激光发生器、高速摄像机均安装于支架上，激光发生器、高速摄像机可上、下移动。

数据采集系统导线与测量传感器及高速摄像机连接，数据采集系统采集拍摄的图像及传感器信号

2、一种利用上述管束间高温高压汽液两相流型实验装置的流型判别方法，其特征在于：激光发生器通过压力容器后侧的可视化视窗提供光源，高速摄像机通过压力容器前侧的可视化视窗拍摄两相流型变化图像；对拍摄的图像进行数字化处理和边缘检测得到边缘检测图像；

根据边缘检测图像的边缘灰度特征，对管束通道每一位置处汽泡的数量、尺寸进行统计分析，得到管束通道内两相流型随时间和空间的变化规律；根据每张图像中汽泡的尺寸计算含汽率及汽相体积流量，结合流域截面积计算汽液两相表观速度；对流型过渡区域进行汽泡动力学分析，得到流型变化与汽泡行为、受力、数量及空间尺寸的关系；根据表观速度及含汽率结合图像中汽泡数量和尺寸建立流型图谱；前述的管束通道为电热管在压力容器内所形成的流体通道。

通过压力容器内的热电偶传感器测得电加热管壁温度；通过压力容器上的压力传感器、液位传感器、双头电导探针，测得流体压力、液面位置、截面含汽率和汽相表观流速；通过压力容器进口管和出口管处流量计和铠装热电偶测得压力容器进出口流量和温度。