气液两相流教学实验台（多相流综合实验系统）

KRR-25气液两相流教学实验台（多相流综合实验系统）

主要功能：主要用于常温下气-水两相流流型迁移特性的实验，实验时，通过调节流经实验段的气、水流量，使实验段由出现典型的弹状流，进而转变为泡状流，直至形成典型的环状流。通过可视化观察流型转换实验过程，及记录该工况下的工质操作参数，对于工程上流型研究有着非常重要的意义。 

实验功能：

使学生认识气液两相流在工业生产中的重要作用，了解气液两相流型研究的发展现状，知道判别两相流流型的方法及流型判别的特征，能准确绘制两相流流型图，并与典型流型图做比较，能运用两相流动理论分析解决工程实际问题。可进行以下实验：

1、气液两相流流型识别实验。流行识别完后与典型的Baker流型图，Weisman流型图做对比；

2、两相摩阻梯度实验

3、管道内空泡份额测定实验

设备配置：

有机玻璃管实验段、循环管道、玻璃转子流量计、差压计、压力表、空气减压阀、局部构配件、水泵、水箱、压气机、混合器、分离器、、气流量计、可视化流型实验段、电气控制箱、电子数显温度计，流量调节阀、实验台架实验段全长配置日光灯照明。 

主要参数：空气压力0.1～0.3MPa,空气温度20～35℃，空气流量2.5～25m3/h，水流量0.6～6m3/h,水温20～35℃。

技术参数：

类别	数值	类别	数值
气流量	0.25～16Nm3/h	水流量	0.6～10m3/h
电源	三相/380Ｖ	流量	12.5m3/h
扬程	30m	重量	180㎏
外形尺寸	1800mm×650mm×1650 mm	功率	2.5kW。
工作环境	实验室常温、通风干燥处

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

专业生产厂

气液两相流教学实验装置

实验指导书

实验1  水平管内气-液两相流含气率的测量

一、实验目的：

1.掌握用g射线仪测量空泡份额（截面含气率）的基本原理和方法；

2.通过测量两相流动参数，建立质量含气率 、容积含气率 与空泡份额（截面含气率） 间的关系。

3.培养学生分析处理数据的能力，提高学生实验技能。

二、实验原理：

g射线衰减法能在不干扰流场的情况下较准确地测量空泡份额 ，是目前应用较多的一种测量方法，这种方法的基本原理就是根据g射线穿过物质时的衰减规律。

所谓的g射线衰减是指入射g射线通过物质时，由于发生光电效应、康普顿散射以及形成电子偶三种作用，使出射射线强度减弱的情况。研究表明，g射线透过物质时其射线强度满足单能射线遵守的指数衰减规律，即

                                                                  (1)

 

即                                                                      (2)

式中  ——入射射线强度；

——出射射线强度；

——物质的吸收系数；

Z—— 物质的厚度。

物质吸收系数 只与物质的密度 成正比，即

                                     (3)

式中， 为与射线有关的比例系数。

若通道中全部为液体，则

                                (4)

若通道中全部为气体，则

                               (5)

若通道中气-液两相混合物，则

                               (6)

式（4）减去式（5），得

                        (7)

式（4）减去式（6），得

                        (8)

式（7）除以式（8），得

                           (9)

由于：

                  (10)

于是有：

                       (11)

由式（11）可以看出，在已知 、 的情况下，只需再测得 值，就可以算出相应的空泡份额 的值。

在使用条件不变的情况下，即流道尺寸、射线源以及从探测器到流道壁面的距离保持不变，则探测器测得的g光子的计数N正比于射线强度，故(1)式可改写成：

                                                                 (12)

式中  ——入射g射线计数；

N ——出射g射线计数。

则

                                (13)

从式（13）中可以看出，只要测得 、 ”及，即可求得空泡份额 。

三、实验步骤

1、启动空气压缩机（气泵），使气回路系统达到预定压力；

2、接通电源，开启测量系统，并加查系统状况是否正常；

3、取出放射源，将其放在测量位置的托盘上（注意辐射防护），检查测量信号是否正常；

4、开启气回路阀门，使气相单独流过实验段，测量这时射线穿过管道的出射g射线计数 ；

5、关闭气路阀门，启动水泵，开启水回路阀门，使实验管内充满水，测量这时射线穿过管道的出射g射线计数 ；

6、打开气相和液相实验回路阀门，固定液相流量，调节气相流量到某一定值，在两相流动稳定之后，测量该流动工况下g射线穿过管道的出射g射线计数，并记录气相、液相的体积流量，流体温度及实验管道内压力；

7、在第6步的基础上，按一定步长逐渐增大气相流量，同时记录并测量不同的气液流动组合工况下射线穿过管道的出射g射线计数，气相体积流量 和液相的体积流量 ；

8、实验结束后，先关闭水泵，再关闭气泵，关闭气相和液相回路阀门，最后关闭电源；

9、将放射源从实验台上取下来，并放回原处（注意辐射防护）。

 

四、实验报告：

1.实验数据汇总表；

2.通过数据处理，给出每种实验工况下，两相流动截面含气率 、质量含气率x和容积含气率 值，并汇总成表；

实验2  气-液两相流摩擦压降测量及 关系曲线绘制

一、实验目的：

1. 深刻理解“气液两相流”课程中关于压降计算的理论知识，并加以运用、巩固和提高；

2. 掌握差压传感器测量压降的基本方法；

3. 培养学生分析数据的能力，提高学生实验的技能。

二、压降测量

总压降测量一般使用U型差压计或差压传感器测量。U型差压计虽然使用方便，但精度较低，而且实验过程中的压差波动信号不能被实时采集和记录，因此，目前在实验室通常采用差压传感器对两相流动的压降信号进行测量。

三、差压传感器测量原理：

当气-液两相流体在通道中流动时，流动所产生的总压降可以表示为

式中， ， 和 分别表示摩擦压降，重位压降和加速压降。

对于水平等径的绝热两相流

故

    

因此，可以通过测量两个截面间的总的压降来确定两相摩擦压降大小。两个截面的位置确定后，两相摩擦压降梯度就可以算出。

四、采用L-M法绘制 关系曲线

根据L-M模型，气-液两相流体绝热流过等径水平圆管时，沿程产生的两相摩擦压降梯度 可通过引入分液相折算系数 或分气相折算系数 ，用分液相摩擦压降梯度 或分气相摩擦压降梯度 来表示

  ；                 （1）

绘制 关系曲线需要确定 （或 ）和 。因此，要想获取两相摩擦压降梯度，只要 和 或者 已知，则 、 和 就可以求出。

1.分液相摩擦压降梯度 或分气相摩擦压降梯度 的计算

首先，需要判别液相或气相单独流过相同管径实验段的流态，判别准则以

分液相雷诺数 或分气相雷诺数 是否大于1000而定。

其中，                               

然后，根据达西-魏斯巴赫（D-W）公式，算出 和 在此流动工况下的数值。

2.马蒂内里参数 的计算

由L-M模型可知：

                       （2）

从上式可以看出， 和 已知，即可求得 。

3. （或 ）计算

由式（1）可知，只要实验测得 ，并计算得到 和 ，即可以算出 （或 ）。

按照上述计算过程，经过多组实验工况之后， 关系曲线可以绘出。

五、实验步骤：

1、启动空气压缩机（气泵），使气回路系统达到预定压力；

2、接通电源，开启测量系统，并加查系统状况是否正常；

3、开启气回路阀门，调节回路上的减压阀，使气相入口表压力维持在0.1MPa，同时调节气回路阀门，使气相体积流量维持在某一定值 不变，记录气相体积流量 ；

4、开启水回路阀门，调节液相流量，使液相体积流量维持在某一定值 不变，记录液相体积流量 ；

5、采用差压传感器测量记录此气液两相流动组合工况下的两相摩擦压降波动数据，并取时均值作为两相摩擦压降值；

6、逐渐调节气相体积流量和液相体积流量，在每一组实验工况下，当两相流动稳定后，重复实验步骤3，4，5，同时记录每一组实验工况下的相关实验数据；

7、根据L-M模型，算出每一个实验工况下的 、 、 、 、 和 ；

8、实验结束后，先关闭水泵，再关闭气泵，关闭气相和液相回路阀门，最后关闭电源。

 

六、实验报告：

1.实验数据汇总表，包括管径D、差压测量段长度L、每一组实验工况下的气相体积流量 、液相体积流量 、两相流动摩擦压降梯度 、分液相摩擦压降梯度 、分气相摩擦压降梯度 、 、 和 ；

2.根据多组实验工况下的实验数据，绘制 关系曲线；

实验3  气-液两相流流型及流型图的绘制

一、实验目的:

 1. 结合所学课程“气液两相流”中关于水平绝热圆管内流型的定义及分类，通过实验观察，明确水平管中各种流型的特征；

 2. 确定水平管内各种流型的存在区域及流型过渡区域；

 3. 根据实验数据，绘制水平绝热圆管内两相流流型图。

二、实验原理

在气液两相流动过程中，两相之间存在界面，界面的变化会使得两相流动出现多种形式的流动结构，即流型。流型就是气（汽）液两相流动中两相介质的分布状况。不同的流动型式下，两相流的流体力学特性是不一样的。

从工程应用的角度来看，研究流型的意义在于确定流体的换热特性和压降特性。因为两相流的换热特性和压降特性与其流动型式密切相关，在两相流系统的热工水力计算中，不同的流型往往采用不同的公式计算其流动和传热问题，因此，对两相流流型的研究就是研究两相流系统的基础。

早期对两相流流型的研究主要是根据实验结果，绘制出流型图，如判别水平通道两相流流型的Baker流型图和判别竖直通道两相流流型的Hewitt流型图等。根据这些流型图就可以很方便的查出不同流动参数下的气液两相流流型，并为进一步研究两相流的流动特性和传热特定提供了基本的依据，目前这些流型图仍然被很多研究者所采用。

由于影响两相流型的因素比较多，对于水平绝热圆管内两相流动，实验中需要测量的参数主要有：实验段内径D、气相体积流量 、液相体积流量 、实验段内压力 和压差 信号。实验过程中，流型的确定可通过可视化观察并结合压差波动曲线来进行判别。

三、实验步骤

1、启动空气压缩机（气泵），使气回路系统达到预定压力；

2、接通电源，开启测量系统，并加查系统状况是否正常；

3、打开气相回路，调节回路上的减压阀，使气相入口表压力维持在0.1MPa，同时调节气回路阀门，使气体流量维持在某一个较小值保持不变；

4、打开液相回路，调节阀门，使液相流量维持在某一较小值保持不变；

5、观察记录此工况下的流型特征，并记录液相和气相体积流量，管内压力及压差波动信号；

6、液相流量保持不变，在维持气相入口压力为0.1MPa的前提下，增加气相流量，重复步骤5；

7、重复步骤5和6，从小到大逐渐改变气相流量，记录在不同实验工况下所出现的各种典型流型的特征以及液相和气相体积流量、实验段内压力及压差波动信号；

8、增加液相流量到另一个定值，保持不变，然后重复步骤5，从小到大逐渐调节气相流量，记录在不同的两相流动组合工况下所出现的各种典型流型的特征以及液相和气相体积流量、管内压力及压差波动信号；

9、按照上述步骤，依次类推，逐步得到整个气相和液相流动参数变化范围内，各种典型流型的特征以及每种流型存在区间所对应的实验数据；

10、实验结束后，先关闭水泵，再关闭气泵，关闭气相和液相回路阀门，最后关闭电源。

 

五、实验报告内容：

1.实验数据及处理数据汇总表，包括实验段内径D、每一种实验工况下气相体积流量 、液相体积流量 、气相折算流速 和液相折算流速 ；

2.描述水平绝热圆管内典型流型的特征并附上典型流型的特征图（可手绘也可拍照）；

3.根据可视化观察并结合压差波动曲线，通过分析判别典型流型的存在区间；

4.采用液相折算流速 和气相折算流速 作为流型图的纵、横坐标，根据实验数据和流型判别结果，绘制流型图，标出流型转变带。