环形流道流体阻力特性实验研究

范 佳,冯殿义

(1.辽宁工业大学机械工程及自动化学院,辽宁锦州 121001;2.大连万阳重工有限公司,辽宁大连 116100)

0 引 言

环形流道具有传热面积大、结构紧凑等优点,在动力、石油化工、能源等领域的应用越来越广泛,流体在环形流道的流动和传热成为当前研究的热门课题,越来越受到研究者的重视。国内外已有的研究结果表明,环形流道流体阻力特性不同于圆管的阻力特性,不同间隙尺寸的环形流道流体阻力特性不同。目前的研究结果存在较大的差异,不仅定量结果不同,而且在环形间隙对阻力系数影响的趋势上,甚至得出相反的结论[1-3]。影响环形流道流体阻力特性实验结果的因素非常复杂,出现上述现象的原因可能是各研究者的实验条件不同引起的。为此,本研究从严格控制可能引起实验结果误差的因素出发,对间隙为0.540～2.685mm之间的环形流道流体阻力特性进行了实验研究,给出了阻力系数随环形通道间隙变化的趋势,并拟合了摩擦阻力关系式。为实际应用提供参考。误差分析表明实验结果具有一定的可靠性。

1 实验装置与方法

实验装置如图1所示。实验段由两根紫铜管套装成水平环形流道。实验组件共有5组,实验段测压进、出口分别有稳定段。实验段内管外壁面上焊制4组均布的3个支撑点,支撑点在同一横截面上,焊后径向进行机加工,严格控制环向间隙的同心度。为减小焊点引起的局部阻力对测量精度的影响,焊点环向宽度小于0.3mm,所以其对流体流动的摩擦阻力系数的影响可以忽略不计。实验段几何尺寸与条件如表1所示。

图1 实验装置流程图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

表1 实验流道的几何参数与实验条件Table 1 The geometric parameters and the initial conditions of the test sections

为保证实验过程中压头恒定,流量不随时间变化,供水箱用溢流方式保持液面高度恒定,且在大出口处设置稳压罐。水温度通过XMT数显温度控制仪控制实验工质温度。实验压差的测量采用了U形管水银和水柱压差计,后者用来测量小雷诺数时微压差,以提高实验的精确度。实验工质质量的测量采用称量法,实验过程中待流速稳定后再进行测量。

2 实验结果分析与讨论

2.1 实验结果的观察与分析

2.1.1 窄环形流道临界尺寸

同心环形流道层流区摩擦阻力系数理论计算式[4]

式中,Re为雷诺数,Re=deuρ/μ;de为当量直径(m),环形通道de=2h;u为流体流速(m/s);ρ为介质密度(kg/m3);μ为介质粘度(Pa◦s)。

实验环形通道尺寸di/d0≈0.74789～0.92790,按式(1)计算相应 C的变化范围在 95.823953～95.99835之间,其变化幅度只有0.18%,可视为常数C约为96。

图2为环形间隙h=2.685mm时,阻力系数λ与雷诺数Re关系的实验结果,由图2可以看出,h=2.685mm时,在层流范围内环形流道内流体流态转捩雷诺数值与圆管相同,Re数约为2000。

图2 间隙2.685mm环形流道摩擦阻力系数结果Fig.2 Experimental results of friction factors in 2.685mm annular channel

图3 环形流道摩擦阻力系数结果Fig.3 Experimental results of friction factors in annular channels

根据实验结果,拟合出摩擦阻力系数计算式如下

式(2)与式(1)计算结果比较,误差为1.03%。可知层流区间隙h=2.685mm时,与常规尺寸环形通道的理论计算吻合。

在湍流区,流体的阻力系数也与常规尺寸圆管计算值较接近。拟合出摩擦阻力系数计算式如下

实验流体湍流区的阻力计算式与圆管计算值符合程度为99.11%。认为实验阻力系数值与计算值基本吻合。

文献[2-5],认为当环形通道的间隙值大于等于2.5mm时,层流区阻力系数与理论值符合,湍流区阻力系数也与圆管计算值基本吻合,实验结论较为一致。因此,可以认为间隙值大于等于2.5mm时,间隙大小对环形通道阻力特性已无影响,即窄环形流道临界尺寸为h=2.5mm。

2.1.2 窄环形通道实验结果分析

(1)窄环形通道的转捩雷诺数

图3为5组环形通道阻力特性的实验结果。由图3可以看出,窄环形流道内流体流态转捩雷诺数较圆管明显提前(h＜2.685mm),间隙尺寸的大小对环形流道流体流动的转捩雷诺数有较大的影响,转捩雷诺数值随间隙的增大而增大,且由层流转向湍流无明显的过渡区。图4为雷诺数范围在0～2000内的5组λ◦Re的实验结果与Re数的关系,由图4可以看出,对于实验范围间隙h=0.540～1.907mm之间,层流范围Re数约为700～1800。

图4 窄环形流道λ◦Re数与Re数的关系Fig.4 Relations between actual experimental results of λ◦Re and Re in annular channel

(2)窄环形通道的阻力系数

在层流区内,流体的阻力系数值也与间隙的大小有关。从图3可看出,随着间隙的减小,摩擦阻力系数减小,与文献[4-5]给出的趋势相同。

不同窄间隙摩擦阻力系数与雷诺数之间关联式拟合如式(4),系数C与拟合误差见表2。

表2 拟合式系数与适用范围Table 2 The calculation resuslts of the test sections

图5给出了层流区范围λ◦Re随环形间隙大小变化趋势的理论计算值与试验结果的对比曲线。由此可以清晰的看出,窄环形通道内流体流动的摩擦阻力系数值与理论计算值存在较大的差异,传统的摩擦阻力计算公式已经不能继续使用。摩擦阻力系数值随着窄环形间隙尺寸的增大而增大,当间隙尺寸增大到常规尺寸(2.5mm)时,实验摩擦阻力系数值开始与理论计算值相符合。

由图3可以看出,在湍流区,本实验的Re数范围内,间隙大小对湍流时的流动摩擦阻力系数影响也较大。但其曲线趋势不变,仅通过修正常规尺寸圆管湍流区理论计算式的系数即可表示出不同间隙尺寸环形流道的阻力特性,即

拟合得出5组实验系数k见表2。从图3和k值的拟合结果都可以看出,k值随环形间隙尺寸的增大而增大。随着 Re的增大,当Re数＞104时[4],间隙大小的影响逐渐降低。

图5 环形流道λ◦Re数理论计算与实验结果对比Fig.5 Compared between theoretical results with actual experimental results of λ◦ Re annular channel

2.2 实验结果误差分析

流动摩擦阻力系数计算公式

式中,dm为环形通道的平均直径,dm=(di+do)/2,di为环形通道的内径(m);do为环形通道外径(m);Q为流体的质量流量(kg/s)。

根据误差理论

则λ的相对误差表达式

由式(8)可知,间隙h的误差对阻力系数的测量误差影响最大,其次是流量Q的误差影响,因此,实验中严格控制间隙的误差和流量测量误差,实验的测量误差约为3.34%～5.70%,实验结果可靠。考虑到拟合误差,式(4)和式(5)误差分别为 3.50%～6.63%和3.46%～6.47%。

2.3 机理分析

与常规尺寸通道流体流动特性不同,窄环形流道摩擦阻力系数随间隙大小变化,且转捩雷诺数提前。出现这种差异的原因可能是由于在窄通道内,湍流场中的旋涡受到了抑制[5],导致摩擦阻力系数减小,间隙愈小,这种抑制作用愈强,因此,表现出摩擦阻力系数随间隙的减小而减小的趋势。另一方面,对于窄流道而言,流道壁的表面粗糙度与流道尺寸相比已经很大,因此对于摩擦阻力系数的影响远大于常规尺寸的通道,从而导致较小雷诺数的情况下出现湍流,转捩雷诺数Re提前。显然,环形流道的间隙值越小,这种影响也就越大,因而,在实验中会表现出流态转捩雷诺数值随间隙减小而减小的趋势。

3 结 论

(1)常规尺寸环形通道与窄环形流道临界尺寸为2.5mm;

(2)当间隙小于2.5mm时,窄环形流道从层流向湍流转变有所提前,且转捩雷诺数值随着间隙的增大而增大,并且转捩雷诺数值均小于常规尺寸环形通道的转捩雷诺数值2000;

(3)在层流区范围内,不同间隙尺寸的环形流道阻力特性不同。当间隙h＜2.5mm时,实验结果与理论计算值之间出现明显的偏差,阻力系数随h的减小而减小;

(4)在湍流区,实验Re数范围内,间隙尺寸大小对阻力特性的影响也很大,h＜2.5mm时,摩擦阻力系数值随环形间隙尺寸增大而增大。

[1] EKBERG N P,GHIAASIAAN S M.Gas-liquid two-phase flow in narrow horizontal annuli[J].Nuc Eng Des,1999,192：59-80.

[2] 李斌,何定安,王月社.窄缝环形管内流动与传热实验研究-Ⅱ摩擦阻力特性[J].化工机械,2001,28(2)：67-70.

[3] 孙立成,阎昌琪,孙中宁.窄环隙内水流动沸腾时阻力特性的实验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2005,26(1)：44-47.

[4] 孙中宁,孙立成,阎昌琪,等.窄缝环形通道单相摩擦阻力特性实验研究[J].核动力工程,2004,25(2)：123-127.

[5] 曾和义,秋穗正,苏光辉,等.环形窄缝通道单相流动特性研究[J].原子能科学技术,2007,41(5)：575-579.