книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

мгновенной изоляции исследуемой области. Обычно применяются два клапана, которые перекрывают поток одновременно. Проходные сечения клапанов точно такие же, как и у трубы, поэтому, когда клапаны открыты, этот участок не вызывает никакого возмущения потока. Работы с применением приборов такого типа указали на необходимость синхронного, точно совпадающего по фазе, действия клапанов, но в том случае, если клапаны закрываются очень быстро, точность скорости закрытия клапанов мало влияет на количество отобранной жидкости. Во избежание гидравлического удара основ­ ной поток отклоняется от измерительной секции и направляется че­ рез периодически открываемые проходы. Пример оборудования, при­ мененного в этом методе Хьюиттом и др. [159], представлен на рис. 12.6. Метод перекрытия потока позволяет получать очень точные и воспроизводимые результаты. Однако при определении толщины

в перекрытой области в процессе эксперимента. В отсутствие газо­

1201]). При наличии газового потока данный метод применять ие рекомендуется из-за возникновения сил трения, за исключением слу­ чая, когда эти силы трения действуют в горизонтальной плоскости (Арманд и др. [13]).

Метод, базирующийся на электропроводимости пленки. В этом методе определяется электропроводимость пленки заданной длины. Для этого, естественно, необходимо, чтобы пленка стала электро­ проводящей (этого можно достичь, например, путем добавления электролита) и чтобы она обтекала электроизолятор. Электрическое соединение пленки исследуемой длины с измерительной цепью осу­ ществляется с помощью электродов, вделанных в стенку канала.

367

пенной в C ISE . Проводимость между электродом А и заземленным электродом В измеряется с помощью мостика переменного тока частотой 60 гц. Толщина пленки рассчитывается при допущении, что ток проходит через равномерный слой с одинаковой электро­ проводностью, расположенный на поверхности трубки.

Хотя этот метод позволяет получать воспроизводимые резуль­ таты, присутствие поверхностных волн на пленке приводит к зани­ жению толщины пленки. Величина влияния этого эффекта на сину­ соидальное изменение толщины пленки была исследована теоретиче­ ски Сильвестри и др. [315]. Сравнительные исследования метода перекрытия потока и метода электропроводящей пленки были вы­ полнены Хьюиттом и Ловегрувом [159].

Значения толщины пленки, определенные методом электропрово­ дящей пленки, всегда немного ниже значений, полученных методом перекрытия потока. Это вполне закономерно ввиду большой волни­ стости пленки. Разница в оценках достигает 30%.

12.3.2. Методы локализации

Радиоактивное излучение и его поглощение. Этот метод харак­ теризуется тем, что радиоактивное вещество растворяется в текущей жидкости. Если радиоактивный детектор подвести к пленке, обна­ руживаемая им интенсивность радиации будет связана с количе­ ством жидкости в точке и ее окрестности и, следовательно, с тол­ щиной пленки. В методе поглощения радиации интенсивность обна­ руживаемой радиации также является функцией толщины пленки, если с одной стороны пленки разместить фиксированный источник, а с другой — детектор.

Метод, основанный на .радиоактивном излучении, был применен Джексоном [190] и Денглером и Адомсом [92]. Однако следует за­ метить, что радиация частично ослабляется вследствие самопоглощения в жидкой пленке. При анализе полученных данных Джексон [190] допускал наличие этого эффекта самопоглощения, однако точная картина средней величины для толщины пленки до сих пор неясна (Кольер и Хьюитт [72]).

В эксперименте Денглера тарировка была выполнена путем введения известного количества радиоактивного раствора в короткую

часть трубы и распределения этого раствора по кольцевой поверхно­ сти путем вращения трубки вокруг своей оси. Условия, в которых

Денглер проводил свои эксперименты, явились причиной того, что Кольер и Хьюитт [72] подвергли сомнению точность метода, бази­ рующегося на излучении.

Казагранде и др. [47] и Кравароло и др. [82] применили в своих исследованиях двухфазного газожидкостного потока метод поглощения ß-лучей. Для параллельного пучка моноэнергетического

только в том случае, если величина ///о больше, чем ІО-3. В каче­

368

и для материала стенки, таким образом, ограничена значением мень­ шим, чем 1 г • см~2.

Метод, в котором используется поглощение ß-излучения, очень перспективен для измерения средней толщины пленки и при соот­ ветствующей коллимации его можно применить для разумно ограни­

в поток, была сама покрыта тонкой пленкой, образовавшейся от вы­ падения капелек. Поэтому полученные результаты не точно представ­

ляют толщину пленки на стенке трубы. При использовании метода поглощения ß-лучей трудно также получить правильную среднюю

толщину пленки, если характеристики поглощения являются суще­ ственно нелинейными.

Разновидности методов, базирующихся на ослаблении колли ма­ терного пучка у-лучей, были использованы Хукером и Поппером [177], Исбином и др. [87], Миропольским и Шнейеровой [254] в исследованиях двухфазного газожидкостного потока. Эти методы применялись для определения объемного паросодержания в изотер­ мических и испаряющихся системах без особой ссылки на характер потока, хотя большое число этих исследований проводилось главным образом в области кольцевого течения. Знание величины объемного паросодержания может дать возможность произвести расчет толщи­ ны пленки (при условии, что доля уносимой жидкости в перекрытой

как источник, так и счетчик за пределами исследуемой секции, одна­ ко в этом случае имеет место большая потеря чувствительности, ко­ торая делает метод ослабления у-лучей непригодным для исследова­

щая в условиях интенсивного воздействия на тяжелую воду жесткой у-радиации (Рухани [295, 296], Рухани и Беккер [297]).

Методы, в основе которых лежит использование как излучения, так и поглощения, страдают от практического ограничения размеров

радиоактивных источников. Чтобы получить пригодные для расчета статистические данные, необходимо проводить отсчеты в течение длительного периода. Поэтому эти методы мало пригодны для полу­ чения информации об изменении местной толщины пленки по време­ ни. Несколько меньшие ограничения возникают при использовании рентгеновских лучей (Шрок и Селф [303]).

Точность методов, базирующихся на поглощении лучей, зависит от распределения жидкости в пределах трубы (эта зависимость исследовалась Петриком [274], Пайком и др. [77], Трун-Кван Мином [350]). Установлено, что полиакриловая смола имеет приблизи­ тельно такой же коэффициент поглощения, что и вода, поэтому модели, в которых применяется полиакриловая смола, можно использовать для выяснения влияния распределения жидкости (Пет­ рик [274], Пайк и др. [77]).

369

Электропроводящие зонды. При использовании метода, бази­ рующегося на применении электропроводящих зондов, электроды размещают по возможности ближе один к другому на поверхности, по которой протекает пленка; они вделываются так, чтобы поверх­ ность оставалась гладкой. Были предложены электроды разной кон­ струкции. Ван-Россум [294] применил прямоугольные электроды; в работах AERE (Кольер и Хьюитт [72], Джилл и др. [122], Хьюитт

Рис. 12.8. Схема установки электропроводя­ щих зондов.

и Ловегрув [159], Хьюитт и др. [164]) были применены круглые электроды. Конструкции электродов для измерения толщины пленки внутри трубки и на внешней стороне стержня представлены на рис. 12.8.

Преимущество этого метода по сравнению с вышеописанными состоит в том, что он позволяет получить некоторую информацию об изменении мгновенной толщины пленки во времени. Для тари­ ровки можно применить специальную камеру (Кольер и Хьюитт [71], Хьюитт и др. [164]); можно также создавать вокруг зонда попере­ менно стекающие пленки, толщину которых можно определить рас­ четом или непосредственным измерением, используя, например, метод

370

контактной иглы. При тарировке методом стекающей пленки хорошо добавить к жидкости смачивающий агент с целью устранения поверх­ ностных волн.

Первоначально зависимость электропроводности от толщины

пленки является линейной и для заданного отношения диаметра зонда к расстоянию от стенок канала не зависит от размеров

зонда. При большой толщине пленки электропроводимость мед-

145,1 /ч.

леннее возрастает с увеличением толщины, чем при малой, В обла­

(десятитысячные доли миллиметра) и жидкости с удельной электро­ проводностью X (ом~1• с м -1).

Схемы для получения средних по времени величин и для непре­ рывной записи значений электропроводности зонда описаны Хьюит­ том и др. [164] и Моеком [255]. Для устранения влияния поляри­ зации необходимо применять низкую (звуковую) частоту переменно­

371

го тока без выпрямления несущей частоты. Поэтому при непрерывной

записи получается огибающая кривая, подобная показанной на рис. 12.9.

Измерение емкости. Применение методики, базирующейся на емкостных измерениях, для определения толщины пленки (Даклер и Берглин [99], Портальски [281]) и для определения объемного паросодержания (Кольер [69], Моек [255]) связано с большими трудно­ стями; этот метод совсем нельзя применять, если не будет хорошо определена геометрия рабочей части канала и пленки.

12.3.3. Точечные методы

Прибор с контактной иглой. По своему принципу метод, основан­ ный на использовании контактной иглы, очень прост: острие иглы подводится к пленке и в момент, когда возникает контакт между иглой и пленкой, определяется расстояние между острием иглы и границей твердой поверхности. Если пленка имеет равномерную толщину, т. е. если волн нет, первая точка контакта представляет толщину пленки. При наличии волн на пленке сначала возникает кратковременный контакт с гребнем волн, но постоянного контакта не наступает, пока игла не коснется впадины волны. Точку, в кото­ рой возникает контакт, можно определить либо оптическим, либо электрическим методом. Электрический метод обычно более надежен и состоит в регистрации электропроводности между острием иглы и стенкой трубы. Прохождение тока указывает на наличие контакта. Этот метод уже широко применялся, как это видно из обзора Кольера и Хьюитта [72]. Кроме того, его можно принять для полу­ чения данных о частоте контактирования и относительной продол-

Рис. 12.10. Метод измерений с помощью контактной иглы.

Подъемное течение воздушно-водяной смеси в трубе, расход воды 136 кг/ч.

Расход воздуха, кг/ч: ш — 60; в — 90; 0 — 116; ▼ — 143; Д — 173; А — 210; V — 252.

3 7 2

I I I I I

Р а с с т о я н и е м е ж д у о с т р и е м и г л ы и с т е н к о й , 2 5 , 4 -Ю"3мм

Рис. 12.11. Метод измерений с помощью контактной иглы.

жительности контакта. Макманус [239, 240] измерил относительное время нахождения иглы в контакте с пленкой в горизонтальном кольцевом течении. Это достигалось включением иглы и поверхности в электрическую цепь, содержащую измеритель силы тока. Полное отклонение прибора указывало на непрерывный контакт между иглой и пленкой, а время непостоянного контакта определялось по величи­ не отклонения стрелки прибора. Макманус определял среднюю толщину пленки как точку, в которой стрелка отклонялась на поло­ вину шкалы. Хьюитт и др. [164] исследовали как частоту контакти­ рования, так и относительное время продолжительности контакта. Поскольку применялась звуковая частота, каждый раз, когда воз­ никал контакт между иглой и пленкой, звучал сигнал звуковой ча­ стоты. Эти выходные сигналы затем выпрямлялись в полуволны, а частота контактирования измерялась электрическим счетчиком числа сглаженных полуволновых блоков; относительное время про­ должительности контакта измерялось путем подсчета общего числа полуволновых импульсов несущей частоты в пределах блоков, а за­ тем эти результаты выражались в виде части общего числа полуволн соответствующего знака (идущего на иглу). Данные о частоте кон­ тактирования и длительности времени контакта, полученные этим методом, представлены соответственно на рис. 12.10 и 12.11. Подоб­ ные же результаты были получены позднее (Трун-Кван Мин [350]). Метод с использованием контактной иглы относительно прост и позволяет получать полезную статистическую информацию о распре­ делении толщины пленки. Этим методом нельзя получить информа­ цию о непрерывном изменении толщины пленки, поскольку при каж­ дом положении иглы исследуется только одна глубина (толщина).

При применении описанного метода возникает одна трудность,

373

к игле, и разрыв контакта иглы с пленкой в этом случае запаздывает (Хьюитт и др. [164], Кольер и Хьюитт [72]). Другой недостаток метода состоит в том, что введение контактной иглы непременно при­ водит к возмущению потока в других частях трубы.

Поглощение света. Принцип этого метода состоит в пропускании луча света через пленку и определении его интенсивности на другой стороне. Величина поглощенного света является функцией толщины пленки (к циркулирующей жидкости обычно необходимо добавлять красящее вещество для усиления поглощения). Метод поглощения света применялся Гринбергом [135], Червония [51], Лиллелетом и Ханратти [230], Стайнхарпом и Аленом [329] и Стайнхарпом и Баттом [330] .Этот метод испытывался также Хьюиттом и Ловегру-

вом [158].

При применении данного метода приходится преодолевать боль­ шую трудность, заключающуюся в том, что интенсивность, опреде­

ляемая детектором, уменьшается не только вследствие поглощения, но и по другим причинам. Если поверхность пленки волнистая, то свет может рассеиваться и преломляться таким образом, что луч может оказаться направленным в сторону от детектора, а если угол падения достаточно велик, может оказаться значительным и отраже­ ние света. Хьюитт и Ловегрув [158] нашли, что возможен и такой (наихудший) случай, когда не существует разницы между сигналом, полученным от пленки, к которой было добавлено красящее веще­ ство, и сигналом, полученным от пленки, к которой краситель не добавлялся и в которой поглощение света было пренебрежимо мало. Рефракция и рассеивание в этом случае преобладали. Таким обра­ зом, при использовании описанной методики необходимо принять меры к тому, чтобы эти эффекты не были велики. Сомнительно, что­ бы эти эффекты можно было когда-либо устранить полностью.

Оптические методы исследования (фотосъемка, теневые и интер­ ферометрия). В особых случаях течения жидкостной пленки на внеш­ ней стороне цилиндра ее контур можно видеть на образующей изо­ бражения цилиндра, полученной теневым методом или фотографи­ рованием.

Эта методика широко использовалась в исследованиях стекаю­ щей пленки (Кольер и Хьюитт [72]). Однако, как указал Портальски [281]; при использовании этого метода возникает масса проблем, связанных с положением камеры, длиной фокусного расстояния, освещением и необходимостью точного увеличения.

Очевидно, в случае кольцевого течения на внутренней стороне трубы метод фотографирования применить значительно труднее. Тем не менее Яковиц и Бродки [191] сообщили об успешном фотографи­ ровании поверхности раздела при горизонтальном кольцевом течении в круглой трубе. Коэффициент преломления текущей жидкости был такой же, как и у стеклянной трубы, которая в свою очередь была погружена в ванну с той же жидкостью. Это уменьшило влияние преломления, и в результате были получены удивительно хорошие кинокадры. Почти аналогичный принцип применил Трун-Кван Мин [350], который освещал трубу с подъемным кольцевым потоком че­ рез боковую щель. Профиль пленки жидкости в искаженной форме наблюдали с фронтальной части трубы. Затем при соответствующей тарировке изображение преобразовывалось к виду, удобному для определения толщины пленки. При больших колебаниях толщины пленки по контуру метод фотографирования малопригоден. Такие изменения толщины пленки-показаны на рис. 12.2.

374

Преимуществом фотографического и теневого методов является то, что они не оказывают никакого воздействия на гидродинамику пленки жидкости. Более того, в этом случае нет необходимости в добавлении какого-либо красителя или электролита для облегчения замера толщины пленки. Однако этот метод можно успешно исполь­ зовать только при определенных геометриях каналов и пленки.

Ни один из рассмотренных выше методов неприменим для заме­

[354]был применен метод оптической интерференции. Метод состоит

вфотографировании и измерении интерференционной полосы, по­ являющейся на пленке вследствие воздействия широкого монохрома­

тического источника света. Края представляют собой контур изо­ бражения поверхности пленки в соответствии с размерами источника света. Метод требует, чтобы свободная поверхность пленки и твердая стенка являлись зеркальными отражателями, а верхний предел тол­ щины составлял около 2,5 • ІО-2 мм.

Оптический метод, использующий поляризацию света, который

может обнаруживать изменения в толщине жидкой пленки молеку­ лярных размеров (2,5-ІО - 7—2,5-ІО -4 мм), был применен Умуром

и Гриффитсом [353] при изучении капельной конденсации. В этом методе используется свойство поляризованного света поляризоваться эллиптически при отражении от чистой металлической поверхности. Однако присутствие тонкой прозрачной пленки на поверхности сте­ нок вызывает изменение этой эллиптичности на величину, составляю­ щую определенную часть толщины пленки.

Флуоресцентно-спектрометрический метод. В этом методе исполь­ зуется пучок света с заданной длиной волны, который входит в плен­ ку жидкости. К циркулирующей жидкости добавляется флуоресци­ рующее красящее вещество, и падающий свет возбуждает в ней флуоресценцию другой длины волны.

Количество излучаемого флуоресцирующего света возрастает с увеличением толщины пленки и может быть измерено после перво­ го отделения флуоресцирующего света от отраженных компонентов

реключатель.

3 7 5

падающего света ,с помощью спектрометра; после этого фотоумно­ жителем измеряется результирующая интенсивность.

Аппаратура, применяемая в этом методе, описана подробно Хьюиттом и др. [165], а схема установки представлена на рис. 12. 12. Синий свет ртутной лампы пропускался через осветитель микроскопа и фокусировался в конический луч на жидкостной пленке. Циркули­ рующая вода в аппарате содержала флуоресцирующее красящее ве­ щество в малых концентрациях (это оказывало ничтожный эффект на физические свойства жидкости и совсем не оказывало влияния на образование волн), и падающий луч света возбуждал зеленую флюоресценцию в пленке. Флуоресцентный свет излучался изотропно через освещенную область жидкостной пленки, и часть этого света захватывалась линзой объектива иллюминатора микроскопа. После иллюминатора свет проходил через полупрозрачное посеребренное зеркало и затем — в коллиматор спектрометра. Спектрометр отделял флюоресцентный зеленый свет от остального отраженного синею света, и фотоумножитель, который заменял окуляр спектрометра, за­ писывал интенсивность. Полученный сигнал чувствителен к точности геометрического расположения оптической системы, которое должно быть тщательно смоделировано при тарировке.

Основные достоинства метода флуоресценции состоят в его хорошей частотной характеристике, в том, что он дает возможность производить измерения в точно локализованной области, не создавая при этом помех течению в канале. Этот метод неприемлем для изме­ рений в каналах сложной геометрической формы, когда доступ

кпотоку ограничен. При этом методе также необходимо добавлять

кциркулирующей жидкости флуоресцирующее вещество; если при экспериментах с водой низкой температуры это сделать легко, то во

многих других случаях это сделать просто невозможно.

В заключение следует указать, что для измерения .толщины пленки пригодны и многие другие методы, однако идеального все­ объемлющего метода пока что не имеется. В настоящее время флуо­ ресцентный метод является предпочтительным во всех условиях, когда есть возможность его применить. Для'-тех случаев, когда этот метод применить нельзя, лучше воспользоваться методом электро­ проводящего зонда. Если же нельзя добавлять в пленку ни электро­ лит, ни красящее вещество, ни радиоактивное вещество, приходится применять какой-либо из физических методов исследования, напри­ мер метод перекрытия потока, фотографирования или метод контакт­ ной иглы.

12.4.И ЗМ ЕР Е Н И Е УН О СА И РА ЗМ ЕРА КАПЕЛЬ

12.4.1.Измерение полного потока уноса

Наиболее часто применяемый метод для измерения полного уно­ са жидкости состоит в определении расхода в пленке жидкости и вычитании полученной величины из общего расхода потока. Разность будет представлять унесенную часть жидкости. Этот метод особенно удобен при исследовании пережога, поскольку расход жидкости в пленке сам по себе является важным параметром. При исследова­ нии случаев, когда уносится только малая доля общего потока, этот метод, однако, дает малую точность, поскольку измерение расхода в пленке и вычитание его из общего расхода представляет собой на­ хождение малой величины как разности двух больших величин.

376