气液两相流在集箱中的分配特性

摘要：集箱中的气液两相流的分配广泛存在于能源、动力及化工等领域，特别在电站锅炉中，集箱中两相流分配的均匀性与热偏差有关，直接影响到锅炉的安全运行。作者通过对这类研究特别是其实验研究的学习，综合评述了国内外两相流体在并联管组中分配方面的实验研究工作，对各个流体参数及几何因素对于气液两相流在集箱内的分配特性的影响进行了总结。

关键词：集箱 两相流 分配特性

0 引言

集箱广泛应用于能源、动力及化工等领域，用于汇集或者分配汽水工质，而这些领域中集箱中的工质往往不是单相的而是汽-水两相流体。比如在超临界锅炉中，集箱的作用显得十分重要。超临界锅炉炉膛由下部的螺旋管圈水冷壁和上部的垂直管水冷壁组成，上、下部之间用中间集箱联接。当锅炉在亚临界压力以下带部分负荷运行时，通过中间集箱的是汽-水两相流体。如果两相流体在中间集箱内发生汽水分离，则通过中间集箱垂直水冷壁管的流量就会有较大偏差，直接影响电站锅炉的安全运行。所以对气液两相流体在集箱中的分配情况进行研究是十分必要的。

汽液两相流在并联管组中的流动比较复杂，各国的学者已经取得了重要的研究成果。作者通过对这类研究特别是其实验研究的学习，包括其实验系统及方法和实验结果，即各个影响因素对于气液两相流在集箱内的分配是如何影响的，以及各自的影响程度的学习，对这些研究成果进行了总结。

1 实验系统及方法

1.1 试验装置或回路

由于蒸汽与水一起流动时会有相变现象，使实际实验操作较为困难，因此学者们大多以空气- 水为实验介质对这方面问题进行研究。这些试验回路大多主要由水回路部分、气路部分、试验段及测量系统等部分组成。

1.2 集箱分配特性的评价

我们知道集箱的主要作用是对流体进行分配，通常我们希望这种分配是均匀的。而两相流的分配比单项要复杂得多。我们除了要考虑单相所考虑的流量分配外，还需要考虑相分配，在两相流分配的研究中，相分离现象的研究十分重要。所以对两相流的分配特性，我们往往从流量分配和相分配两方面进行评价，常用的评价指标有以下几个：

整体评价指标：①最大流量偏差系数；②最大干度偏差系数；③流量标准偏差系数；④干度标准偏差系数。以上前两个系数是用流量或干度的最大偏差与其平均值的比较，它们都是用于对分配性能的整体评价。而后两个系数则是用流量或干度的标准差与其平均值的比较，各有优劣。

局部评价指标：①流量不均系数；②干度不均系数；③液相流比系数；④气相流比系数。这四个系数能显示分配的均匀性。

2 试验结果及分析

影响分配集箱分配特性的因素很多，其中主要的因素是工作压力、工质温度、进口干度、质量流速、流型、引入方式、其他结构及尺寸。这里将这些影响因素分为两类：流动参数（包括工作压力、工质温度、进口干度、质量流速、流型）及几何因素（包括引入方式、其他结构及尺寸）。

2.1 流动参数对集箱分配特性的影响

2.1.1 工作压力对集箱分配特性的影响

分配集箱工作压力对并联支管之间的干度的分配有一定的影响。随着分配集箱工作压力的提高，并联支管之间的干度的分配偏差有所减小。主要原因是，随着分配集箱工作压力的增加，分配集箱内汽-液两相之间的密度差减少，汽-液两相之间的物性差异减小。所以，由于汽-液两相之间密度的差异而使汽-液两相分离的现象减弱，分配集箱并联支管之间的干度的偏差相对减小，即相分配均匀性增加。

2.1.2 工质温度对集箱分配特性的影响

工质温度对集箱分配特性的影响在不同的温度范围内存在很大差异。在工质温度小于350℃时，工质温度对分配集箱垂直水冷壁管内流量分配的不均匀性的影响很小；但在拟临界点温度384℃（压力p=25MPa时）附近流量分配的不均匀性有一明显的增加，出现这种现象的原因是超临界压力下水在拟临界点之前，其物性随温度的变化较小，但在拟临界点附近，水的物性发生了显著的变化。可以预见，随着压力的升高，这种阶跃增加现象变得不明显，这是因为在超临界压力下，随着超临界压力的增加，拟临界点处物性的变化幅度也会减少。

2.1.3 进口干度对集箱分配特性的影响

当分配集箱入口干度较小时，并联支管之间的干度偏差较小，干度偏差随着集箱入口干度从0到1变化，其变化趋势是先增大后减小。因为，当分配集箱入口干度很小时，分配集箱内的汽-液两相流为泡状流或汽塞状流型，该流型下汽-液两相混合较为均匀，汽液两相分离的趋势相对较弱，所以，并联支管之间的干度分配的偏差较小，即相分配不严重。随着分配集箱入口干度的不断增加，集箱内的汽-液两相流的流型转变为分层流和波状分层流；在该流型下，汽-液两相容易分离，所以，在靠近集箱入口处并联支管的干度较高，造成并联支管之间有较大的干度偏差。当分配集箱入口干度增加到一定值后，汽-液两相流在分配集箱内为环状流或雾状流，汽-液两相在分配集箱内混合较为均匀；所以，在这种情况下，并联支管之间的干度的分配偏差随着分配集箱入口干度的增加而减小。

以上是从流型方面分析的，从另一个角度分析，一些文献中指出：入口干度的增加会使气相的分配趋于均匀而液相分配趋于不均匀。这两种影响的叠加便导致了干度偏差会有一个最大值。这个最大值的位置由于所处工况的不同，在各个文献中也有所差异，但这一先增后减的趋势却都是一样的。

也正是由于以上分析的叠加效应，入口干度对流量分配的影响较复杂，没有明显的变化规律。

2.1.4 质量流速对集箱分配特性的影响

随着分配集箱引入管质量流速的增加，分配集箱并联支管间干度偏差减小。这是因为在一定压力和入口干度条件下，随着分配集箱引入管质量流速的增加，汽-液两相混合物在分配集箱内的动能增加，增强了汽-液两相流在集箱内的湍动，促进了汽-液两相流的混合，使汽-液两相流在分配集箱内相分离现象减弱。故并联支管间的干度偏差随着集箱引入管汽-液两相流质量流速的增加而减小。

在工作压力和入口干度一定的情况下，当进入分配集箱的质量流速较小时，并联支管间的流量偏差较大；随着质量流速的增加，并联支管间的流量偏差减小。因为随着汽-液两相流质量流速的增加，汽-液两相流在分配集箱的混合增强，汽-液两相混合物相分配的均匀性增加，流量分配的均匀性也增强。

2.1.5 两相流流型对集箱分配特性的影响

上文中我们发现，当我们对一些参数（质量流量和干度）对流量分配的影响进行原因分析时，我们还会对其流型进行说明或判别。所以也有的文献中把质量流量和干度都叫做流型因素。

当气液两相流质量流量很小时，分配联箱中的流型是分层流动。这种流型气液两相分开流动，以至于气相更容易进入离引入管较近的分支管，产生相分配及流量分配的不均匀。随着流量的增大，分配联箱入口流型转变为波状流，即两相界面上出现涌动波，液面上方的液滴增多，形成气流夹带液滴分配均匀性得到些许改善。当气液两相流流量进一步提高时，分配联箱入口液相波动变得激烈，从而形成间歇状流动。这时的情况变得复杂，当分配联箱顶部流过过气相时，离引入管近的支管的进口处会随之流入气体；当分配联箱顶部流过液相时，这些进口处会随之流入液相。从而使这些支管也发生间歇状流动。当两相流量进一步提高，分配联箱入口会发生环状流，引起距分配联箱入口近的管中产生环状流，随着流量的变大，环状流型会向后面的管推进，使各管渐次达到环状流。

2.2 几何因素对集箱分配特性的影响

2.2.1 引入方式对集箱分配特性的影响

并联分支管集箱按引入管与集箱轴向连接方式分为沿轴向和径向引入两种。径向引入又分为径向单入口引入和径向双入口引入。

当径向双入口对称引入时，左右侧入口对分支管流量分配影响基本一致。可以将双入口联箱作为两个单入口联箱考虑。当径向两个入口条件不同时，不能作为单入口联箱考虑，即还要考虑双入口相互影响对两相流量分配的影响。

当两引入管中的气液两相流量存在偏差时，引入管之间流量偏差不大时，引入管流量偏差对引出管中干度分配性能影响不大。

对于单独由于两引入管水量或气量分配不均匀而产生的影响。引入管水量分配的不平衡会造成分支管水相分配情况改变，但气相分配的情况改变较小。而当改变入口气量时，水相和气相分支管的分配均变化很大。

2.2.2 装设笛形管对径向引入集箱分配特性的影响

笛形管顾名思义，它上面会由一些出口小孔，形状与笛子相似，它套在集箱内（如图1所示），气液两相流由引入管先进入笛形管，通过笛形管进入集箱，再进行分配。

图1 单入口笛形管

加装笛形管均流器能够改善气液两相流在集箱内的分配情况，具体笛形管的出口位置和尺寸会有怎样的影响。研究表明：改变笛形管出口位置而不改变其尺寸，对分配特性影响不大。减小笛形管出口小孔尺寸，会在一定程度上提高分配特性。因为工质经过出口小孔时的节流作用，使两相流产生强烈的扰动，一定程度上加大了气液两相的混合，抑制了其相分离，从而改善其分配特性。

3 结论

流体参数（包括工作压力、工质温度、进口干度、质量流速、流型）对集箱内两相流的分配特性都会产生影响，但各因素影响程度不同。在远离临界压力区，工作压力对并联支管之间干度分配的影响程度比汽-液两相的质量流速的影响要小。而在近临界区干度、流量分配不均匀度则受压力主导影响。

为了加强扰动防止相分离而提高分配均匀性而改变几何结构的措施（笛形管或加速管）都会以牺牲动能作为代价。

参考文献：

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