光学探针在气液两相流动局部参数测量中的应用研究

田道贵，孙立成，高 菲，刘靖宇，孙 波

（1.哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 光纤传感科学与技术黑龙江省重点实验室，哈尔滨 150001）

0 引 言

在两相流动的流动特性研究中，分别提出了均相流、分相流、漂移流、两流体等模型［1］，并都得到了很好的发展。其中，两流体模型被认为是最精确的一种模型，因为从机理上看，两流体模型最能够接近实际的物理过程。在两流体模型的求解中，涉及到的局部界面面积浓度［1-6］这个关键参数，一般只能通过经验关系式获得，这限制了两流体模型的推广应用，因此在多相流领域，关于局部界面面积浓度的研究一直是重点之一。研究者采用多种实验方法［4］来获得这一参数，为理论研究提供实验数据，其中探针方法［4-6］使用较多。Neal和Bankoff（1963）最先提出了电导探针的方法对两相流动局部参数测量，接着Miller和Mitchie提出了光学探针的方法［7］。在探针方法中，电导探针具有机械强度高、结构简单，制作容易的优点，一直以来受到研究者的普遍关注，但是要求被测介质导电性好，为提高导电性，常向被测介质中添加化学试剂［8］，而且电导探针信号响应速度慢。光学探针虽然不如电导探针应用广泛，但是激光信号却有着自己的独特优势，信号要比电导探针更为敏感，在界面经过传感器时信号阶跃变化更快，因此得到的数据精度也高于电导探针。然而，光学探针中使用的光纤很脆，容易断裂，探针的制作处理要求非常精细，要真正做成一个能够用于实验参数测量的探针相当困难。 针对上述情况，实验中成功设计制作出了双传感器光学探针，并将其应用于两相流动实验研究，对不同流动条件下相界面速度、局部时均空泡份额和局部时均界面面积浓度进行了测量。同时将探针测得的空泡份额与通过压降方法［9-10］得出的值进行比较，验证自制的双传感器光学探针的测量精度，从而为两流体模型的完善和推广应用奠定基础。

1 光学探针的制作

1.1 双传感器光学探针的制作

探针制作可分成准备、组装、测试和封装4个过程。

探针制作中所使用的不锈钢管具体尺寸如图1所示。在准备阶段，首先用剥线钳将光纤封装护套剥除约30cm。组装时，先将切割打磨好的两根直径为0.5mm 的毛细管一起插入直径为1.5mm 的管中，将一端露出5mm 左右，并使露出端两端头前后相差约0.5mm，将三根细管涂胶固定；把直径为2.5mm 的90°弯管的一端套入4.5mm 的管中，并在两管接合处涂胶封死；将两根光纤从4.5mm 管的另一端穿入，从2.5mm 管一端穿出。接着用光纤剥线钳剥出约3cm 的裸光纤，然后用光纤切割刀切平光纤端面，保留纤芯长2cm 左右。最后将两根光纤分别从已经和1.5mm 管粘连一起的两根0.5mm 管中穿出，露出的部分前后相距0.5～1mm。测试光纤切割端面时，先将光纤带接头端与光学探针信号转换放大系统相连，再将切割端面分别置于水和空气中，确认能否准确判断出气液两相；之后将光纤端面快速插入拔出水面，检测其对两相变化的响应快慢。如果能够准确判断出气液两相，并能迅速响应两相的变化，则可以进行最终的探针封装操作。

图1 双传感器光学探针Fig.1 Photo of the double-sensors optical probe

1.2 光学探针信号转换放大系统

光学探针信号转换放大系统由哈尔滨工程大学光纤传感科学与技术重点实验室制作，其工作原理如图2所示。系统主要由光路和电路两部分组成。在光路中，激光光源产生的激光，首先经Y 型分支路光纤耦合器等分成两路输入激光。图2中表示的是其中一路输入激光经耦合器分光后进入探针中的一根光纤，作为探针的其中一路入射光。入射激光在探头端面发生反射，反射激光沿原路返回，再次经Y 型分支路光纤耦合器，并被等分成两路，其中一路等分反射激光进入光信号接收装置，并被光敏元件检测转换成电信号。由于光敏元件输出的电信号很弱，先经过多级放大电路后输出放大电信号至采集系统。

图2 光学探针信号转换放大系统原理图Fig.2 Principle diagram of signal transforming and magnifying system for optical probe

2 光学探针测量方法验证及应用

2.1 实验回路简介

实验回路如图3所示。实验段为透明的有机玻璃圆管，管内径为50.8mm。实验工质为去离子水和空气，水由离心泵提供动力，空气则由压气机加压后进入实验回路。空气和水在混合腔［3，5］内混合形成大小基本一致且分布均匀的气泡。水流量由可变量程质量流量计测量，气流量由量程不同的3个转子流量计测量。在实验段高径比为22处（以实验段入口为起点）安装探针，探针可沿管道径向方向移动，以管道中心轴线为原点到管壁面间共设有12个测点，进行局部参数测量。在实验段高径比为24和34处，各安装有一个精度为0.25%的压力传感器，实时测量实验段中这两个位置的静压。实验中，气相折算速度为0.015～0.059m／s，液相折算速度为0～0.138m／s。

图3 实验回路简图Fig.3 Schematic of the experimental loop

2.2 探针测量方法验证

利用探针检测的两相流动相界面信号，一般先用阈值方法［7，11］将其转换为方波脉冲信号再进行处理。通过探针得到的原始信号及处理后的方波脉冲信号如图4所示，其中高电压代表气相，低电压代表液相，一个脉冲波宽表示第j个气泡通过探头所经过的时间Δτj。使用探针进行局部空泡份额测量时，一般采用前探头所检测到相界面信号数据［6］。在测量时间间隔Ω内，根据前探头检测到的所有气相出现的时间，结合式（1），即可得到局部时均空泡份额：

图4 探针检测原始信号及阈值化处理信号Fig.4 Raw signal and processed signal

式中（r）表示径向r位置处的时均空泡份额；Nt表示测量时间间隔Ω内测得气泡数目。

通过对流道中某个截面上所有的位置点的局部时均空泡份额进行积分平均，即可得到该截面上的时均空泡份额：

式中，〈α〉表示截面时均空泡份额；A表示探针测量点流道的横截面积。

实验中将由式（2）得到的截面空泡份额和由压降方法得到的空泡份额进行比较，结果见图5。从图中可以看出，探针方法相对压降方法测得空泡份额的误差基本在15%以内，其平均误差为8%，表明本实验所制作的双传感器光学探针相对准确可靠，可用于气液两相流局部参数的测量。

图5 探针法与压降法测量空泡份额比较Fig.5 Comparison of the void fraction measured by optical probe against pressure method

3 光学探针测量应用

光学探针方法测量原理是根据光纤在液相和气相介质中端面反射率不同，利用光通过光纤端面反射光强不同来判断探针是处在气相还是在液相介质中。通过探针测量方法除了可以获得空泡份额，还可以对界面面积浓度、气泡通过频率、相界面速度、Sauter均径、气泡弦长等局部参数［2］进行测量。

当同一个相界面先后通过探针的前后探头，则所经历的时间差可用图4所示的Δtj表示，又知道两探头间的距离为Δs，则第j层相界面在主流流动方向上的速度｜Vszj｜可表示为：

在两相流动中，界面面积浓度是两相流体之间通过相界面传递质量、动量和能量大小的决定因素之一，其物理意义是两相混合体中单位体积内的相界面面积。在使用双传感器探针测量局部时均界面面积浓度的统计模型中，Kataoka模型比较好［6］，其表达式为：

式中表示局部时均界面面积浓度；N表示局部位置处单位时间内测得气泡个数，即气泡频率；α0表示相界面速度与主流流动方向的最大夹角，是一个统计意义上的参量［1］。

实验中测得的不同气液流量下局部时均空泡份额、相界面平均速度和界面面积浓度（IAC）径向分布见图6。从图6（a）中可以看出，在实验条件下空泡份额在流道中间很大范围内沿径向变化平缓，在近壁面出现明显的峰值，分布呈“壁峰型”［12］；且随气相流量增大，壁面附近分布峰越陡。从图6（b）中可以看出，相界面速度在流道中间区域较高，且变化比较缓慢，在接近壁面时明显降低；在气流量相同时，流道中各处相界面速度随水流量增大而明显增大。图6（c）中IAC的分布和图6（a）的空泡份额分布基本相同，变化趋势也一致。

图6 局部流动参数径向分布Fig.6 Radial profiles of the local flow parameters

4 结 论

（1）设计制作的双传感器光学探针能有效地识别气液两相信号，测得的空泡份额平均误差为8%，探针测量精度比较高，可用于气液两相流局部参数的测量。

（2）自制的探针可应用于两相流动中局部时均空泡份额、相界面速度、局部时均界面面积浓度等两相流动局部参数的测量。

（3）在实验条件下，空泡份额沿径向呈“壁峰型”分布；相界面速度在管中间部分较高，近壁面较低；界面面积浓度沿管道径向分布与空泡份额基本相同，变化趋势也一致。

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