多孔碳毡内气相析出诱导的气液两相流动特性研究

作者:单天祥;叶强; 刊名:水动力学研究与进展(A辑) 上传者:刘吕科

【摘要】碳毡是一种高孔隙率的纤维堆积多孔材料,被广泛应用于化工、能源等领域。液体流经碳毡时,其中的溶解气会在升温或降压等因素的作用下过饱和析出,从而影响液相的流动。该文以溶解有饱和空气的液态水为工质,利用加热诱导析气的方法实现了对这种特殊气液两相流的可视化观测,并借助测压法和称重法实现了碳毡内流动阻力和空泡份额的定量测量。结果表明:过饱和析出的气泡在碳毡内有明显的滞留效应,导致液相流动阻力与空泡份额的显著增加;流速的提高增强了流体对滞留气泡的冲刷,从而降低了气相含量及其对液相流动的阻碍。

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引言碳毡是由碳纤维随机堆叠而成的一种纤维多孔介质,具有高孔隙率和渗透率的特点,它经常被用作传输液相流体的通道,在科研与工程领域得到了广泛的应用[1-5]。流体在纤维毡中的流动相当复杂,为减小流动阻力,保持流动的均匀和稳定,必需对流体流经纤维毡内的流动特性进行系统的研究[6-9]。对于纤维毡内的单相流动而言,流动特性一般与纤维毡的纤维尺寸、孔隙结构及孔隙率等本身物性有关,关于此类的研究已有不少报道[2,9-12]。然而,在实际工作中,受多种因素影响纤维毡内的流体很难一直保持单相的理想状态。在液相流体的流经过程中,可能会由于流体的物理变化(受热、降压等)以及电化学反应导致气相析出[13-15]。析出的气体在纤维毡内长大、汇聚和流动,部分滞留在孔隙间,使得碳毡内部原本的单相液体流动转变成了复杂的气液两相流动,流动特性发生了显著的改变[16-19]。迄今为止,关于气相析出对纤维毡内流体流动特性影响的研究工作开展得相对较少,且其影响程度随流速变化的规律亦不清楚。为此,本文针对气相析出引起的碳毡内液相流动特性的变化,设计特殊的实验测试系统和测试方法,研究了析气造成的液相流动特性的变化以及该变化与流速之间的关系。本文利用称量装置质量变化、测量摩擦压降变化以及计算渗透率等手段定量分析碳毡内流动特性的变化,同时拍摄碳毡表面的气体分布变化,定性叙述该过程中析气现象的影响,对碳毡内水流动特性随流速变化的规律进行了较深入的探讨。1实验1.1实验材料以未受压缩状态下厚度为4.6mm的聚丙烯腈基碳毡作为实验多孔纤维毡,其纤维密度为1.8gcm-3,纤维直径在8m左右,计算得到孔隙率为95%。碳毡试样的长度为150mm,宽度为50mm,压缩状态下碳毡的厚度为3.5mm,即压缩率CR为25%。测试前利用除气水驱替碳毡内的空气,保证碳毡内单相流动,以饱和溶解空气的水作为实验液相流体流经碳毡。1.2实验装置采用的实验装置如图1所示,整套系统主要由实验段、加热、冷却与饱和及电信号采集几个模块组成。各个模块的功能如下:(1)实验段模块,其结构如图2所示,加热流经碳毡的饱和含气水来诱导析气,形成存在析气现象的液相流动条件。实验段使用质量轻和导热性好,而且易于加工的铝合金作为下平板材料,使用透明有机玻璃作为上盖板材料,中间使用受压变形较小的PTFE垫片来固定碳毡和调节碳毡的压缩厚度,以保证试验段的密封性。(2)加热模块,包括固定在铝合金板后的加热片、热电偶和温控器,实现设定的出口水温。(3)冷却与饱和模块,流出实验段的未饱和水和空气一起流经冷却模块和较长的回流管,使水降至设定初温,水中的空气溶解量达到饱和。(4)电信号采集模块,采集进出口压差和进出液口温度等,同时拍摄碳毡表面的气体分布变化和称量间隔时间内实验段的质量变图1实验装置示意图Fig.1Schematicdrawingoftheexperimentinstrument化。实验中其他的装置主要有:数码相机,用于记录实验过程中碳毡表面的气体分布;压差变送器,精度为0.25%,用于测量流动中的压降信息;电子分析天平,精度0.01g,用于测量间隔时间段内的质量变化;齿轮泵和蠕动泵分别用于供液和回液;止回阀用于防止称重时的液体倒流。1.3实验方法使用齿轮泵将饱和溶解空气的水输送到实验段中,通过加热诱导析气的方法进行了碳毡内液体流动特性变化的实验研究。实验中,先采用压差变送器测量碳毡内流动的摩擦压降的变化,计算碳毡内流动阻力增加的幅度。在间隔时间点处,从止回阀处截断供液管路,并拆除相应的热电偶及其他电路,称量实验段质量的变化来估算滞留气体量,

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