水平气液旋流中旋流器诱导的液膜时空行为的实验研究

《Separation and Purification Technology》：Experimental investigation of swirler-induced liquid film spatiotemporal behavior in horizontal gas–liquid swirling flow

液膜在旋流中的时空行为受节距、轴径和螺旋数影响，基于涡街流量计和RBF重建分析发现低气速下少螺旋数诱导凹面液膜且非周期性增强，大轴径提升垂直对称性及扰动波关联性，气液速增减液膜时稳性，四参数模型预测液膜厚度误差≤10.42%。

　　液膜在旋转流中的行为对气液分离过程具有至关重要的作用。然而，目前关于液膜在旋流器几何参数影响下的时空特性研究仍较为有限。本文通过采用一种高精度的线状网格传感器（WMS）对液膜的特性进行了多角度分析，包括时间行为、环向分布和时空演变。研究发现，在较低气速条件下，较少的旋流器叶片会导致液膜界面出现凹陷，并且液膜的非周期性行为更加显著；而较大的中心柱直径则有助于提升液膜在垂直方向上的对称性，并增强扰动波之间的横向相关性。随着气速的增加，液膜的时间稳定性有所下降，但液速的增加则能提升其稳定性。此外，旋流器叶片间距的减小有助于提升液膜的稳定性，但在高气速条件下，叶片数量和中心柱尺寸的影响会逐渐减弱。

从环向分布的角度来看，较小的叶片间距和较大的中心柱直径有助于液膜形成更均匀的分布，而叶片数量的减少则会导致液膜在270°方向上显著增厚。这一发现表明，旋流器的几何参数在控制液膜分布方面具有重要作用。进一步研究确认，液膜厚度在时空维度上呈现出四参数逻辑依赖关系，其误差范围控制在10.42%以内，显示出较高的测量精度和模型适用性。

旋流器是一种能够向流体施加切向动量并产生离心力的装置，常见形式包括旋流叶片、切向入口、螺旋带和旋转管道等。其中，旋流叶片因其结构简单、操作灵活和分离效率高而受到广泛关注。旋流叶片可以分为平板型、弧形和螺旋型等多种类型，而螺旋型旋流叶片因其在长时程内能够产生并维持稳定的旋转流，被认为是最有效的设计之一。旋流叶片的几何参数，如叶片数量、叶片间距和中心柱直径，对旋流特性具有深远影响。这些参数不仅决定了流体在管道中的初始旋转强度，还对气液界面的形态、液膜厚度以及两相之间的相互作用产生重要影响。

在旋转流中，气液两相之间的动量、质量和能量传递主要依赖于界面波的形成和演变。液膜的形态和特性与这些界面波密切相关，进而影响液膜的时空行为。液膜、气核和被卷入的液滴被视为旋转流的关键特征。研究表明，液膜厚度是评估旋转流特性的关键指标之一，因为它与相速度、传热系数和压降等因素紧密相关。为了准确测量液膜厚度及其波动特性，研究人员采用了多种技术手段，包括超声多普勒测速（UDV）、光学方法、高速摄像与图像处理、快速关闭阀门技术和线状网格传感器（WMS）等。其中，WMS因其高时空分辨率和强抗干扰能力，被广泛应用于旋转流的研究中。

近年来，关于旋转液膜的研究不断深入，涵盖了不同流型下的液膜分布和波动特性。例如，Liu的研究表明，液膜厚度和界面波特性显著受到流型的影响。在旋转环状流中，液膜呈现出最对称的分布，其厚度沿轴向方向逐渐增加，随后缓慢减薄。在较高的气液流速下，液膜的峰值位置会向重力方向偏移。Kataoka等人指出，液膜的轴向最大厚度是液滴在离心力作用下完全重新沉积在液膜上的位置。此外，离心力还能抑制界面波的形成，从而减少液膜表面的波动，使其更加平滑。Zeng等人通过结合UDV和高速摄像技术，对液膜厚度及其波动进行了详细分析。Shuai Liu则利用柔性电极阵列对螺旋管中的液膜特性进行了研究，进一步揭示了旋转流中液膜的行为规律。

与垂直管道中的旋转流相比，水平管道中液膜的时空动态研究仍较为有限。Liang等人通过UDV技术发现，在水平管道中，旋流器出口处的液膜比下游区域更薄，且其速度梯度更陡峭。此时，重力引起的液膜非均匀性会受到离心力的抑制。Meng等人通过WMS技术对液膜厚度、波动和环向分布进行了分析，指出旋转环状流在液膜分布上具有最高的对称性，并且液滴卷入率最低；而旋转间歇流则表现出最强烈的波动和明显的周期性。Liu等人对典型水平旋转流型进行了研究，指出下游流型受流速的影响较大，随着气速的增加，界面剪切应力增强，导致液膜波动加剧。同时，随着液速的增加，液膜的环向厚度会变厚，而径向静压的变化可用于识别液膜厚度。

尽管已有大量研究关注水平管道中旋转液膜的厚度分布和波动模式，但系统地研究旋流器几何参数对液膜时空行为的影响仍显不足。旋流器的几何参数，如叶片间距、中心柱直径和叶片数量，不仅决定了旋转流的初始强度，还深刻影响了液膜的形成和演变过程。因此，本文采用WMS系统对旋流器几何参数的影响进行了深入研究，重点分析了叶片间距、中心柱直径和叶片数量对液膜特性的作用。通过采用径向基函数（RBF）重建方法，研究人员能够更直观地观察液膜的形态和变化趋势。研究首先从时间角度分析了液膜的分布情况，包括轴向分布、时间波动和稳定性，以及界面波的分布特征。接着，从空间角度探讨了液膜在不同流型下的环向均匀性及其在不同环向位置的波动强度。最后，基于四种旋流器参数，建立了四参数经验模型，用于关联液膜厚度的时空平均值与质量流量和Lockhart-Martinelli参数，并对不同表观气速和液速下的液膜演变趋势进行了定性分析。

本研究的发现不仅深化了对旋流器几何参数如何调控液膜多尺度行为的理解，还为旋流分离器的设计优化提供了理论依据。通过系统的实验分析和模型建立，研究人员能够更准确地预测液膜在不同几何参数下的行为，从而为实际工程应用提供科学支持。这一研究对于提升气液分离效率、降低能耗和改善设备运行稳定性具有重要意义。此外，研究结果还为未来在旋转流领域的进一步探索奠定了基础，特别是在如何通过调整几何参数来实现更高效的气液分离方面，提供了新的思路和方法。