基于动量压降特性的水平绝热两相流中空隙率的定义

《Results in Engineering》：Definition of Void Fraction in Horizontal Adiabatic Two-Phase Flow Based on Momentum Pressure Drop Characterisation

本文提出了一种基于动量压力降的实验方法，用于确定水平管中氨气的高蒸汽质量（0.2-0.8）下的相分数。通过实验和模型比较，验证了该方法的有效性，并指出均相模型适用于高蒸汽质量区域，而异相模型低估了相分数，误差达10-15%。研究还揭示了摩擦压降模型的局限性，并提出了新的半经验模型以提高预测精度。

　　在工业和科学研究中，了解两相流的特性对于优化系统设计、提高效率以及确保安全运行至关重要。特别是氨作为绿色能源转换中的关键工质，其在管道中的两相流动特性研究具有重要价值。本文探讨了一种新的实验方法，用于在高蒸汽质量条件下，测量水平管道中氨的空隙率。空隙率是两相流中气相体积与总流体体积的比值，是预测传热和传质过程的重要参数。目前，测量空隙率的常用方法包括机械、光学、离子辐射和电气方法，但这些方法往往存在测量复杂性、高成本或需要大量校准的问题。

为了减少对系统运行的干扰，本文提出了一种基于动量压力降的简单且低侵入性的方法，以确定水平管道中氨的空隙率。该方法通过分析动量压力降与局部和摩擦压力损失之间的关系，推导出空隙率的估计值。实验是在内径分别为4、6和8毫米的水平管道中进行的，操作条件包括饱和温度范围为45至65°C，质量速度范围为100至300 kg·m?2·s?1，蒸汽质量范围为0.2至0.8。研究结果表明，该方法在低蒸汽质量条件下（x<0.3）与之前使用快速关闭阀门技术得到的空隙率一致，而在高蒸汽质量区域（x>0.3），则提供了较为准确的估算。相比之下，传统的均匀流模型虽然提供了空隙率的上界估计，但在高蒸汽质量区域中，非均匀模型如Rouhani和Axelsson（1970）以及Tibrica等人（2017）提出的模型，对空隙率的预测则低估了10%-15%。因此，需要一种新的模型来更准确地描述在高蒸汽质量区域的空隙率。

本文提出的新型经验方法基于动量压力降，认为在光滑管道中测量到的压力损失主要是由于流场变形导致的局部损失。该模型预测的空隙率与实验数据之间的误差范围在±25%以内，表明其具有一定的实用性。然而，当使用修改后的模式依赖经验系数时，该方法与Müller-Steinhagen和Heck（1986）提出的非均匀模型相比，其准确性有所下降，后者在测试条件下可预测压力损失的误差范围为±15%。这表明，在高蒸汽质量区域，需要结合更精确的模式依赖参数，以提高模型的准确性。

在实验部分，研究团队设计了特定的测试装置，包括一个机械泵送的两相回路，以及用于测量质量流量、压力、温度和压力降的传感器。测试样品的几何参数和测量设备的精度都进行了详细记录，确保实验的可重复性和准确性。实验结果表明，对于小直径管道（如4毫米），均匀流模型在预测空隙率方面表现出一定的局限性，而在大直径管道中，其预测结果与实验数据更为一致。这可能与流体在管道中的分布模式有关，小直径管道中非均匀流场的变形对空隙率的影响更大。

研究还分析了两相流的流动模式，如环状波浪流和环状流，这些模式在高蒸汽质量条件下尤为显著。通过观察流动模式和测量压力损失，研究人员能够进一步验证空隙率的预测模型，并分析其适用范围。实验数据表明，在某些操作条件下，空隙率的估算误差范围较大，因此需要更精确的测量方法。然而，在大多数情况下，基于动量压力降的经验模型能够提供合理的估算，尤其是在质量速度和饱和温度变化较小的区域。

在摩擦压力损失的分析中，研究团队发现均匀流模型在预测摩擦压力损失时存在显著偏差，尤其是在高蒸汽质量条件下。相比之下，Müller-Steinhagen和Heck模型在使用修改后的经验系数时，能够更准确地预测摩擦压力损失。这表明，虽然均匀流模型在某些情况下适用，但在复杂流动条件下，非均匀模型可能更为可靠。此外，研究还提出了一种新的两相因素模型，该模型考虑了局部损失，并引入了一个经验系数来描述这些损失的频率。尽管该经验系数缺乏严格的物理解释，但其能够有效捕捉实验数据，误差范围在±25%以内。

综上所述，本文提出了一种新的方法，用于在高蒸汽质量条件下估算水平管道中氨的空隙率。该方法基于动量压力降，能够提供合理的估算值，并且在大多数情况下具有较低的不确定性。尽管在某些条件下，均匀流模型存在偏差，但该方法为两相流的研究提供了一种可行的替代方案。未来的研究可以进一步优化该模型，以提高其在不同工质和操作条件下的适用性。此外，该方法的实施为工程应用提供了新的思路，有助于提高两相流系统的设计效率和可靠性。