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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第37卷 第9期 2003年9月 西 安 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF XIAN J IAOTONG UNIVERSITY Vol. 379 Sep. 2003 气泡在不同液体中上升速度的实验研究 李小明1,王 冶2,毕勤成1,冯全科1 (1. 西安交通大学能源与动力工程学院, 710049 ,西安; 2.中国原子能科学研究院, 102413 ,北京) 摘要:为了推断中子慢化剂液氢中气化氢气泡的上升速度及影响因素
2、,选取合适的工质进行了含气率的模 拟实验.采用和液氢层厚度相同的方形有机玻璃管作为可视化实验段,在其中加入蒸馏水、 无水乙醇及氟里 昂113作为液体介质,通过在实验段的下部喷入空气产生空气气泡进行不同液体介质中空气气泡的上升速 度实验,以研究液相的物性如表面张力、 密度、 粘度等对气泡上升速度的影响.实验证明,对于半径为13 mm的空气气泡,液相表面张力与密度的比值是决定气泡上升速度快慢的主要因素,该比值越大,气泡上升 得越快.对照液氢的相关物性预测出了半径为13 mm的气化氢气泡要比R113中空气气泡的上升速度快, 因此可以用R113进行两相氢循环中含气率的模拟实验. 关键词:气化氢;气泡;
3、上升速度 中图分类号: O359 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 987X(2003)09 - 0971 - 04 Experimental Study on G as Bubble Rising Velocity in Different Liquids Li Xiaoming1,Wang Ye2,Bi Qincheng1,Feng Quanke1 (1. School of Energy and Power Engineering , Xian Jiaotong University , Xian 710049 , China ; 2. China Institute of A
4、tomic Energy , Beijing 102413 , China) Abstract:To predict the rising velocity of hydrogen gas and the influencing factors , a suitable working fluid was determined for experimental simulation on the vold fraction of hydrogen in a neutron moderator. The tests on rising velocity of air bubble in dist
5、illed water , alcohol , and Freon 113 having different density , viscosity , and surface tension were performed. The tests confirm that the ratio of surface tension to density of liquid phase has great influence on rising velocity for bubbles with radius of 13 mm , and the larger the ratio , the big
6、ger the rising velocity. It is estimated that the rising velocity of hydrogen gas would be greater than that of air bubbles in Freon 113 with radiusof 13 mm by the calculations and analysis. So Freon 113 can be used as working fluid to simalate void fraction in the hydrogen gas2liquid phase thermosi
7、phon loop. Keywords:hydrogen gas; bubble; rising velocity 在大功率先进研究堆的冷中子源中产生的大量 气化氢气泡若不能及时从中子慢化包的液氢层中溢 出,将使穿过的热中子不能遇到液氢而降低慢化效 果,因此研究液氢中气泡溢出的规律和寻求加速气 泡溢出的手段是控制慢化包含气率的一个关键问 题.但是,由于涉及氢的安全以及难以完全达到实 际运行工况,直接用氢进行模拟实验有很大的难度, 因此选用合适的工质进行模拟研究非常重要. 国内外虽有采用氟里昂及水等工质进行循环模 拟实验及气泡上升速度研究的报导110,但由于这 些工质不完全具有像液氢的密度、 粘
8、度及表面张力 都很小的特征,因此应对这些物性进行研究分析.本 实验对不同工质中半径为13 mm之间的空气气 泡进行了研究. 收稿日期: 2003 - 01 - 21. 作者简介:李小明(1974 ) , 男,博士生;冯全科(联系人 ) , 男,教授,博士生导师. 基金项 目:国防科技重点建设 “九七一” 项目. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 在安全、 经济和满足实验条件的前提下,选取密 度、 粘度及表面张力均不相同的三种工质(蒸馏水、 无水乙醇和氟里昂 113
9、) 进行了实验.将这三种工质 盛入和中子慢化包空隙尺寸接近的方形垂直通道 中,然后由其下部喷入空气,研究空气气泡在具有不 同密度、 粘度及表面张力的液体中的上升速度,并分 析其影响因素. 1 实验装置及实验方法 为了真实模拟慢化包中气化氢气泡的上升过 程,实验段内形尺寸的选取与实际的环形通道尺寸 基本相同,为40 mm40 mm1 100 mm的方形 管,为了便于观测,采用有机玻璃制成.空气从直径 分别为016、019、113 mm的三种不锈钢喷嘴喷入, 用以模拟产生当量半径为13 mm的气化氢气泡. 空气气泡的上升距离由紧贴在有机玻璃实验段上的 标尺测量.气泡图像用数码摄像机(SONY DC
10、R - TRV 900E)采集.实验段内所用的液体工质为蒸馏 水、 无水乙醇和氟里昂113 ,其物性参数列于表1.实 验装置及主体设备示于图1、 图2. 在实验时,调节流量控制阀门,使由气泡发生器 产生的单个空气气泡自喷嘴进入实验段.由安装在 实验段附近的数码摄像机拍摄空气气泡的上升过 程,之后将数码摄像机与计算机相连,由安装在计算 机内的采集卡将图像按帧输出,即可由紧贴在有机 玻璃实验段上的标尺测出空气气泡的上升距离,测 算出空气气泡的大小.由于数码摄像机每秒所拍摄 的图像数量额定,故可由所拍摄的图像数计算出给 定距离上的空气气泡上升时间,进而由空气气泡上 升的距离和时间即可求出空气气泡在给
11、定距离内的 平均上升速度. 2 气泡上升速度计算 人们对气泡的上升速度进行过很多研究,其中 最著名的公式有以下几种. 2. 1Stokes及Mendelson公式 按照对气泡受力的分析,气泡在液体中所受的 浮力为 F1= 4 3r 3 b(f-g) g = 1 6d 3 b(f-g) g (1) 式中: rb为气泡的当量半径; db为气泡的当量直 径;f 、 g为液体及气体的密度; g为重力加速度.气 泡上浮所受到的阻力为 F2= 1 2r 2 bcDfu2 (2) 式中:cD为阻力系数; u为气泡终速度. 当气泡在液体中所受的浮力与气泡上浮所受到 的阻力平衡时,即可求出气泡上浮的终速度u.
12、在层流区 ( Re = fudb f 1) u= 1 18 f-g f gd2b(3) (此即著名的Stokes公式) 式中:f为流体的粘度. 在过渡区 (1 Re 300) u114 = 1 1319 (f-g ) gd 116 b 014 f 016 f (4) 在紊流区(300 Re 4 000 ) , 气泡阻力随雷诺 数的增加而增加,一般采用下面的Mendelson经验 公式10 ,11计算 u = ( 2114/db+0.505gdb) 1/2 (5) 2.2Peebles和G arber公式12 Peebles和Garber根据实验得出与上述不同的 一些关联式如下 u= 2 9 f
13、-g f gr2b( Re 2)(6) u=0133g0. 76(f f) 0.52 r1. 28 b (2 Re 4.02G- 2.214 1 )(7) u=1.35( frb) 0.50 (4.02G- 2.214 1 Re 3.10G0. 25 1 或16.32G0. 144 1 G25.75)(8) u=1.18( g f ) 0.25 (3.10G- 0.25 1 Re或 5.75 G2)(9) 其中 G1= gu4f f 3, G2= gr4bu4 3 f 3 Harmathy12认为公式(9)中的系数1118用1153代 替较好,即 u=1.53( g f ) 0.25 (3.1
14、0G- 0.25 1 Re或5.75 G2)(10) 如果气泡在有壁面限制的管道内上升,其速度 一般要比用上面列出的公式计算的低.Collins12提 出了如下修正式 db/ D 0.125ub/ u=1(11) 0.125 db/ D 0.6ub/ u=1.13e - db/ D (12) 式中:D为上升管的直径; ub为修正后的气泡速度. 由于这两组经验公式大都是对纯水进行研究得 279西 安 交 通 大 学 学 报 第37卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
15、 表1 实验用的各种工质参数表 工 质/kgm- 3/Nsm- 2/ Nm- 1 - 1 f /m3s- 2 水(25)9970.000 8900.0727.221 710- 5 无水乙醇(25)7850.001 0950.0243.057 310- 5 氟里昂113(25)1 5660.000 7190.0171.085 610- 5 空气(25)1.2050.000 018 液氢(20.86 K)70.1190.000 012 70.001 872.666 910- 5 1:气泡发生器;2:流量调节阀门;3:喷嘴;4:实验段; 5:测量标尺;6:数码摄像机;7:计算机; 8:光源;9:测温
16、仪 图1 实验装置图 图2 实验主体设备图 出的,对不同的液体工质,由于物性不同,式中的经 验系数可能会不同,本研究将通过实验对其实用性 进行验证,并寻求合适的计算公式以对气化氢气泡 的上升速度进行预测. 3 实验结果及分析 经过对各种工质的实验数据进行计算发现,实 验中Re都较大,符合Mendelson公式(5)及Har2 mathy修正公式(10)的计算条件.因此,以下对空气 气泡上升速度的预测即是按照这两个公式进行计算 的,并对符合修正式(11)、 式(12)的空气气泡进行速 度修正. 在处理实验数据时,将用不同喷嘴及不同流量 所测出的空气气泡按照半径大小统一处理.图3 图 5( 对数坐
17、标)分别给出了无水乙醇、 氟里昂113 及蒸馏水中空气气泡上升速度的实验数据点,并将 Mendelson公式及Harmathy修正公式的预测结果 也示于图中.通过比较实验数据与不同公式的预测 数据(见图6、 图7) ,发现这两组公式的预测值ue和 实验值ub均有一定的误差,但Mendelson公式比 Harmathy修正公式的误差小,且最大误差不超过 20 % ,因此建议采用Mendelson公式对空气气泡的 上升速度进行预测. 经过分析,我们认为表面张力主要影响气泡的 形状,表面张力越大,气泡越接近球形,气泡上浮所 受的阻力越小,气泡上升得越快.粘度主要影响气泡 上浮过程所受到的阻力,粘度越
18、大阻力就越大.密度 差影响气泡的上浮力,密度差越大,气泡上升得越 快.由于小气泡各向变形很小,故表面张力对上升 速度的影响较小,而粘度的影响较大;由于大气泡的 表面张力使气泡严重偏离球形,因而表面张力对上 升速度的影响很大,而粘度的影响较小.综合以上 各种因素认为:小气泡密度差与粘度的比值决定了 气泡的上浮速度,比值越大,上升越快;大气泡表面 张力与密度差的比值决定了气泡的上浮速度,比值 越大,上升越快. 图3 空气气泡在无水乙醇中上升速度的 实验数据及经验公式比较 379 第9期 李小明,等:气泡在不同液体中上升速度的实验研究 1994-2010 China Academic Journal
19、 Electronic Publishing House. All rights reserved. 图4 空气气泡在氟里昂113中上升速度的 实验数据及经验公式比较 图5 空气气泡在蒸馏水中上升速度的 实验数据及经验公式比较 图6 本文实验数据与Mendelson经验公式的比较 图7 本文实验数据与Harmathy修正公式的比较 比较三种不同介质中空气气泡的上升速度数 据,发现当空气气泡半径处于13 mm时,液体粘 度对气气泡的上升速度影响不大,而表面张力与液 体密度的比值对气泡影响非常大,对相同半径的气 泡此比值越大,其上升速度越大.在实验条件下不 同液体介质的表面张力与密度之比见表1.由
20、于水 的表面张力与密度之比最大,因此在水中空气气泡 的上升速度最快,无水乙醇次之,氟里昂113最小. 由表1还可以看出,液氢的表面张力与密度之比较 氟里昂113的相应比值要大,因此预测气液两相氢 循环中气化氢气泡的上升速度要比用氟里昂113模 拟实验中空气气泡的上升速度要快. 4 结 论 本文实验研究了由喷嘴向静止液体内引入单个 空气气泡时空气气泡的上升速度,实验结果表明,半 径为13 mm的空气气泡在蒸馏水、 无水乙醇和氟 里昂113三种不同工质中的上升速度,取决于液相 表面张力与密度的比值.此比值越大,气泡上升得越 快. Mendelson公式及Harmathy修正公式都能较好 地预测空气
21、气泡的上升速度,且Mendelson公式比 Harmathy修正公式的误差小,这对研究气液两相氢 循环有很大的启示和参考作用,利用这两个经验公 式可以大致了解气液两相氢循环中气化氢气泡的上 升速度,它比用氟里昂113模拟实验中空气气泡的 上升速度要快.因此,可以选用氟里昂113进行含 泡率模拟实验,而且实验结果偏于安全. 参考文献: 1Kawai T , Yoshino H , Kawabata Y. Self2regulating char2 acteristics of a cold neutron source with a cylindrical2an2 nulus moderate
22、cell J . Physica:B , 2002 (311) :164 172. 2Lee C H , Kawai T , Chan Y K, et al. Simulation and mockup tests for developing TRR2CNSJ . Physica: B , 2002(311) :173181. 3Cheremisinoff N P. Encyclopedia of fluid mechanics:cas2 liquid flows Z. Houston:Texas Gulf Publishing Com2 pany ,1986. 59 ,192. 4 车得福
23、,林宗虎,陈学俊.气泡在垂直向上流动液体中 的形成J .西安交通大学学报,1994 ,28(2) :97102. 5 车得福,林宗虎,陈学俊.气泡在液体中形成的实验研 究J .钢铁研究学报,1994 ,6(1) :914. 6 张建生,孙传东,卢 笛.水中气泡的特性研究J .西 安工业学院学报,2000 ,20(1) :17. 7Raymond F , Rosant J M. A numerical and experimental study of the terminal velocity and shape of bubbles in vis2 cous liquids J . Chem
24、ical Engineering Science , 2000 , 55 :943955. 8 程 文,周孝德,郭瑾珑,等.水中气泡上升速度的实验 研究J .西安理工大学学报,2000 ,16(1) :5760. (下转第978页) 479西 安 交 通 大 学 学 报 第37卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图4 体积比对两相混合物粘度的影响 表3 不同体积比下的流变参数 rnk/Pasn 110.532 81.310 8 11510.421 83.064
25、3 210.362 85.187 4 2.4 流变参数计算关联式 从前面给出的试验结果中还可以看出:流变指 数n 总是小于1,因此泡沫压裂液为剪切稀化流体, 其粘度随剪切速率的增大而减小;温度和体积比(或 泡沫质量)对流变参数的影响都比较明显,并且都近 似以指数规律影响流变参数. 通过对大量试验数据进行拟合,得到如下流变 参数计算关联式(其误差在20 %以内,能够满足工 程应用的需要 ) . (1)20 MPa时的流变参数计算公式 n= 0.201 28exp( (0.034 11 - 0.031 086) ( t - 25) ) k= 3.110 75exp( (0.044 334- 0.0
26、85 752) ( t - 25) )exp(0.223 306 4+ 6.285 182) (2)25 MPa时的流变参数计算公式 n= 0.198 76 exp( (0.035 982 - 0.034 956) ( t - 25) ) k= 3.350 86exp( (0.044 334- 0.084 096) ( t - 25) )exp(0.22 306 4+ 61240 03 2) (3)30 MPa时的流变参数计算公式 n= 0.191 62exp( (0.037 584 - 0.037 512) ( t - 25) ) k= 3.487 3exp( (0.044 334- 0.0
27、83 214) ( t - 25) )exp(0.223 306 4+ 6.308 962) 式中:为泡沫质量,即CO2的体积分数; t为泡沫 压裂液的温度. 3 结 论 通过试验研究和分析,对CO2泡沫压裂液在模 拟实际施工条件下的流变特性得出如下结论. (1)在实际施工条件下,CO2泡沫压裂液具有剪 切稀化性质,可用幂律模型来描述其流变特性.通 过对试验数据的处理得出了CO2泡沫压裂液的流 变参数计算关联式,从而为低渗油气藏泡沫压裂技 术的有效实施提供了试验依据. (2)泡沫压裂液的有效粘度随着剪切速率、 温度 的增高而减小,随压力、 泡沫质量的增大而增大;流 变指数随着压力、 泡沫质量的
28、增大而减小,随着温度 的增高而增大;流变系数随着压力、 泡沫质量的增大 而增大,随着温度的增高而减小. (3)相比较而言,温度和泡沫质量对泡沫压裂液 流变参数的影响比压力的影响更明显,在本试验范 围内,温度和泡沫质量对流变参数的影响呈指数规 律变化. 参考文献: 1 吉德利J L.水力压裂技术新进展M.北京:石油工 业出版社,1995. 2 查新中心. CO2与冻胶压裂液两相流动特性的实验研 究R.科技查新报告,2002003.西安:陕西省科学技 术信息研究所,2002. 3 沈崇棠,刘鹤年.非牛顿流体力学及其应用 M.北 京:高等教育出版社,1987. (编辑 王焕雪) (上接第974页)
29、9Bozzano G, Dente M. Shape and terminal velocity of sin2 gle bubble motion:a novel approachJ . Computers and Chemical Engineering ,2001 ,25 :571576. 10 Mendelson H D. The prediction of bubble terminal veloc2 ities from wave theory J . AICHE Journal ,1967 ,13 (2) :250252. 11Clift R , Grace J R , Weber M E. Bubbles , drops ,and particles M. New Yok:Academic Press ,1978. 172. 12 张远君,王慧玉,张振鹏.两相流体动力学基础理论及 工程应用M.北京:北京航空学院出版社,1987. 299 314. (编辑 王焕雪) 879西 安 交 通 大 学 学 报 第37卷