氮在水平管内流动冷凝的可视化及流量大小呈现的分流特征

  流型是两相流动中的重要参数，流型对于两相流动的换热、压降特性有着显著影响。为分析低温工质流动冷凝的流型特征及流型演变过程、为后续的基于流型的理论模型提供基础，开展了低温工质流动冷凝的实验和模拟研究。通过氮工质可视化实验绘制了低温工质两相流型图，确定了主要流型和转换边界；结合流型图和CFD模拟对氖工质流型进行了预测。

  在实验系统上，通过连接在实验段出口处的可视化实验段对两相流型和相界面特征进行了观测。4mm管实验直接通过相机在杜瓦外拍摄；2mm和1mm管实验通过带长焦镜头的相机拍摄。初期实验（4mm和2mm管）采用正面打光、正面拍摄；后期实验（1mm管）采用背面打光，正面拍摄，减少了玻璃管反射光线的影响，拍摄效果相对较好。

  内径4mm管内冷凝实验结果：4mm水平管内的流动冷凝的可视化实验的主要工况为：饱和压力为1.02MPa、流量为8.2-19.6kg/m2s。主要观察到的流型为分层流（stratifiedflow）和塞状流（plugflow）。表3-1所示的是实验中观察到的主要流型，其中也给出了全液工况（x=0）、全汽工况（x=1）的图片，能够准确的看出由于液氮折射的影响，全液与全汽工况的图片存在一定差别，基于这一点差别能判断不同工况下的气液相界面分布。

  不同干度下，G=8.0kg/m2s和G=19.6kg/m2s的可视化结果。干度较小时，两种流量下均呈现出塞状流，气泡集中在管道上部，液相沉积在管道底部，并存在一定波纹；当x0.3(G=19.6kg/m2s)或x0.1(G=8.2kg/m2s)，截面含气率提高，流型由塞状流转变为稳定分层流，相界面相对平滑，没再次出现波状流。

  是氮在4mm管内流动冷凝的流型图，横轴为干度，纵轴为质量流率。能够准确的看出，干度较大时，基本呈分层流；干度较小时会出现塞状流。本质上来说，流型是重力、惯性力和表面张力等竞争的结果。4mm管内实验的流量范围为8.2-19.6kg/m2s，气相流速较小，惯性力无法克服重力形成环状流，因此实验中未观测到环状流，重力起到支配作用，形成稳定的分层流；当干度较小时，截面含气率较小，截面处的液体可能封闭为液塞，形成塞状流。整体而言，分层流是4mm管实验工况下的主要流型。

  内径2mm管内冷凝实验结果:2mm水平管内的流动冷凝的可视化实验的主要工况为：饱和压力为1.05MPa、流量为13.1-75.3kg/m2s。主要观察到的流型为环状流（annularflow）、分层流（stratifiedflow）和塞状流（plugflow）。

  氮在2mm管内流动冷凝的流型图。与4mm管相比，管径的减小和流速的增加（两种管径下质量流量相同），导致惯性力作用逐渐增强，而重力作用逐渐弱化。因此，由惯性力主导的环状流慢慢的出现，并广泛存在于大流量、高干度区域；由重力主导的分层流区域大幅减小；实验同时观察到在干度较小的区域存在塞状流。整体而言，环状流和分层流是2mm管内流动冷凝的主要流型。

  内径1mm管内冷凝实验结果：1mm水平管内的流动冷凝的可视化实验的主要工况为：饱和压力为1.02MPa、流量为52.4-314.4kg/m2s。主要观察到的流型为环状流（annularflow）、分层流（stratifiedflow）和弹状流（slugflow）。

  氮在1mm管内流动冷凝的流型图。与4mm、2mm管相比，管径的进一步减小和流速的进一步增加，惯性力逐渐起到支配作用，因此大部分工况都观察到由惯性力主导的环状流；虽然重力作用在小管径下已经明显弱化，但仍在蒸汽流速较小的区域出现了一些分层流工况；实验同时观察到了弹状流。整体而言，环状流是1mm管内流动冷凝的主要流型。

  氮工质流动冷凝流型图本节将实验结果与现有的流型图比较，并基于实验结果提出修正的流型图。目前针对低温工质流动冷凝的流型图很少，Zhuang等开展了甲烷在4mm水平管内的流动冷凝可视化实验，并在Kim流型图的基础上修正提出了新的流型图。

  除了Kim、Zhuang流型图，还对比了应用比较广泛的常温工质流型图，包括：Breber流型图，Tandon流型图，Cavallini(2002,2006)流型图。是各流型图与三种管径下的可视化实验结果的比较。能够准确的看出Breber流型图与实验结果吻合最好，不仅对环状流和分层流的边界预测较为准确，甚至少量的塞状流/弹状流工况也预测的较为准确。

  Tandon流型图对分层流的预测较为准确，但对环状流的预测存在一定偏差，Tandon流型图将部分环状流工况为预测为泡状流，而泡状流在实验中并未观测到。类似地，Cavalinni(2002)流型图对分层流的预测较为准确，但对环状流的预测存在一定偏差，Cavalinni(2002)流型图将部分环状流工况为预测为分层流。

  此外，还将所有塞状流工况预测为了分层流。Cavalinni(2006)流型图是基于换热特性出发的，将管内流动冷凝划分为重力控制区和剪切力控制区，预测结果与Cavalinni(2002)流型图相差不多，即对分层流预测准确，但对环状流和塞状流的预测较差。Kim流型图的预测结果与实验结果存在一定偏差，Kim流型图是针对FC-72在水平方向水力直径为1mm的矩形通道流动冷凝建立的，观测到的主要流型为环状流、弹状流及过渡流型。

  Zhuang流型图是在Kim流型图基础上结合低温实验结果修正的，能够准确的看出Zhuang流型图中的环状流区域扩大，过渡流型区域减少，这可能是由于低温工质接触角较小、表面张力较小导致的。虽然Zhuang流型图对环状流和塞状流的预测较为准确，但对分层流的预测偏差较大。

  Zhuang流型图并未明确给出分层流区域，这种差异可能是由于流量的较大区别导致的。Zhuang可视化实验的管径为4mm，流量为100-250kg/m2s，而本文的4mm管的实验工况为8.2-19.6kg/m2s。较大的流量会强化惯性力作用，流动趋于环状流，分层流区域减小。

  随着计算机技术和计算流体力学（CFD）的持续不断的发展，数值模拟成为一种高效的研究手段，能够最终靠很低的成本对现实条件不易达到实验条件（低温等）进行模拟。此外，通过CFD软件还可以捕捉两相流动过程中的相界面分布，预测不同入口条件、边界条件下的主要流型和相界面、温度、速度分布。

  本节将通过Fluent计算不同入口流量下氮工质和氖工质流动冷凝过程中的相界面演变及不同干度截面的相界面、温度分布、速度分布。进一步确定氖工质的主要流型，为后续的基于流型的换热特性讨论进行铺垫。

  氮在管内流动冷凝的数值模拟：进行了氮在2mm水平管内流动冷凝的数值模拟。入口为104K饱和蒸汽，壁面温度为90K，管径为2mm、管长为200mm，入口速度分别为0.5m/s（Case1）和1.5m/s（Case2），对应质量流率分别为20.7、62.0kg/m2s.Case1相界面的计算。管道入口处，壁面形成一层较为均匀的液膜，整体呈环状流；沿着管长方向，冷凝量逐渐增加，在由于流速较小，冷凝液膜在重力的作用下逐渐积累在管道底部，形成分层流。

  在两相段末端，干度较小，出现了塞状流。可视化实验结果也表明，相同入口条件下主要流型是分层流，干度较大工况（x0.85）会出现环状流，干度较小的工况（x0.15）会出现塞状流/弹状流。模拟得到的主要流型及其演变与实验结果吻合较好。

  Case1的模拟结果，各截面干度分别为0.95,0.65,0.43和0.17.相界面结果，大干度时壁面液膜厚度比较均匀，接近环状流；其余工况基本呈现为分层流，且界面形状近似于一段圆弧。各截面的速度分布，环状流工况下，壁面处的液膜速度很小，靠近液膜处的蒸汽速度梯度很大，中心蒸汽速度很快且较为均匀；随着干度的减小，蒸汽不断冷凝为冷凝液，因此蒸汽速度也不断减小。各截面的温度分布，计算给定的第一类边界条件，因此壁面处的液膜温度很低，液膜部分的温度梯度较大，相界面处温度为饱和温度；蒸汽区的温度也均保持在饱和温度。

  冷凝速率分布，就分层流而言，冷凝主要发生在液膜很薄的管道顶部；随着管道底部冷凝液膜厚度的持续不断的增加，相界面处的过冷度较小，因此液膜厚度越大，冷凝速率越小。干度沿管长变化基本呈线m处基本完全冷凝，折算的平均换热系数为1540W/m2K.饱和蒸汽进入后，在低温管壁上冷凝形成小液滴，随着液滴增长逐渐连接起来形成薄液膜，沿着流动方向换热量逐渐增加、冷凝量逐渐增大，即液相比例逐渐增加，由于壁面过冷度较大，出口前饱和蒸汽已完全冷凝。

  由于管径较小、蒸汽速度较大，液膜在蒸汽带动下形成环状流，液膜厚度逐渐增加，直到冷凝段末端液膜封闭，形成了弹状流和塞状流。模拟得到的流型变化可视化实验结果接近，对于1.5m/s工况，即G=62.0kg/m2s，实验观测到流型也是环状流和塞状流，塞状流只是出现在干度小于0.2的工况。

  是干度为0.95、0.83、0.41、0截面处CFD的计算结果，包括相界面分布、速度分布、温度分布以及冷凝速率分布。不同干度处，各截面的相界面呈环状特征，即蒸汽在管道中心流动，贴近壁面处为厚度较为均匀的一层液膜，液膜厚度随着干度的减小而逐渐增加。

  管内的速度分布也受到相界面分布的直接影响，中心位置的蒸汽区的速度最大且较为均匀，干度较小时由于液膜厚度较大，受到了低速液膜的摩擦阻力，出现了较为显著的速度分层；相较于饱和蒸汽，冷凝液的密度很大，且受到管壁的摩擦阻力，因此冷凝液膜的速度很小。

  对于干度为0.95、0.83、0.41截面，由于蒸汽导热较差，因此中心蒸汽区的温度基本保持在入口的饱和温度；贴近壁面的冷凝液膜温度较低，相界面处温度为饱和温度，冷凝液膜的径向沿存在比较大的温度梯度。图3-16(d)所示的是冷凝速率分布，能够准确的看出冷凝发生在气液相界面处，且受当地过冷度的较大影响，如x=0.95截面，由于液膜较薄，两相界面处过冷度较大，冷凝速率较大。氖在管内流动冷凝的数值模拟：在氮工质模拟的基础上，进行氖在管内流动冷凝的数值模拟。

  入口为饱和1MPa的饱和氖气，流速分别为0.3和1.0m/s，对应质量流率分别为26.1和87.0kg/m2s。两种流量下相界面分布的计算结果。大流量下，入口处开始形成液滴，液膜逐渐铺展，形成环状流和波-环状流，随着完全冷凝，整个截面充满液体；小流量工况下，由于相间速度差较小，重力作用较为明显，因此液膜沉积在管道底部，呈现出分层流特征。

  速度场与相界面分布非常类似，这是由于气相速度较大，而冷凝液的密度很大，且壁面存在粘滞作用，导致液相区速度很小，因此速度场呈现出类似于相界面的结果。入口处温度分布均匀，由于壁温较低，沿着管长方向截面慢慢的出现温度分层，中心主流区温度比较高，基本保持入口温度，壁面附近温度较低，并随着液膜的积累逐渐形成一定过冷度；相界面处保持饱和温度，全部冷凝后截面整体温度出现过冷。整体而言，大流量下的模拟结果为无论是相界面、速度场还是温度场基本沿中心轴对称。

  小流量下的模拟结果就呈现出分层的特点，而非沿中心轴对称，冷凝液在重力的作用下逐渐向管道底部积累，管道上部存在少量薄液膜或液滴，气体通道也由中心线逐渐转移到管道上部，速度场、温度场分布也符合上述特点。

  两种工况下，干度沿管长的变化。两种流速下冷凝段的长度分别为0.077m和0.142m.尽管较小的流速较大工况下换热系数较大，同时需要的换热量也越大，因此冷凝段的长度越大。折合的冷凝段平均换热系数分别为2610W/m2K和1450W/m2K.通过对氖在2mm管内流动冷凝的模拟研究能够准确的看出，大流量工况下的主要流型为环状流，小流量工况下的主要流型为分层流，模拟结果与修正的Breber流型图的预测结果基本一致。

  CFD模拟根据结果得出，大流量时管内主要流型为环状流，小流量时主要流型为分层流，与流型图的预测结果一致。