تعيين و ارائه نقشه الگوهاي جريان دو-فازي غير- همسو در لوله‌هاي عمودي بزرگ مقياس

Identification of flow patterns maps for counter-current gas-liquid two-phase flow in large diameter tubes

در اين پژوهش جريان دو‌فازي غير همسو در لوله‌هاي عمودي از جنس اكريليك شفاف با قطرهاي داخلي mm 60، mm 80 و mm 110 و ارتفاع‌هاي يكسان m 2 در شرايط آدياباتيك بررسي شده‌اند. تاكنون تعداد كمي از پژوهش‌هاي صورت گرفته در حيطه جريان‌هاي غير همسو در لوله‌هاي با قطر بزرگ مقياس انجام شده است. هوا از پايين به بالا و آب از بالا به پايين جريان دارد. محدوده سرعت‌هاي ظاهري هوا و آب براي لوله mm 60 به ترتيب m/s 1.77-7.17 و m/s 0.05-0.11، براي لوله mm 80 به ترتيب m/s 4.03-0.99 و m/s 0.09-0.03 و براي لوله mm 110 به ترتيب m/s 2.26-0.55 و m/s 0.05-0.01 است. در كار حاضر علاوه بر جريان برگشتي، از رژيم‌هاي لخته‌اي، متلاطم و حلقوي مي‌توان به‌عنوان رژيم‌هاي اصلي مشاهده شده در لوله‌ها نام برد. تلاش بر اين بوده است كه در ترسيم نقشه الگوهاي جريان، عدم قطعيت تعيين مرزها به حداقل رسيده باشد. طبق آزمايش‌هاي صورت گرفته نتايج نشان مي دهد با افزايش قطر لوله‌، رژيم‌هاي لخته‌اي و حلقوي به تدريج محدوده‌هاي كوچك‌تري را در بر مي‌گيرند اما رژيم متلاطم محدوده قابل توجهي از نقشه الگوهاي جريان را به خود اختصاص مي‌دهد. همچنين در مشاهدات صورت گرفته، نمونه هايي از ناپايداري كلوين – هلمهولتز در لوله‌ها مشاهده شد. مقايسه نتايج تجربي و تحليلي اين ناپايداري از توافق خوبي برخوردار است. در انتها نيز صحت سنجي نقشه الگوهاي به‌دست آمده تحت آزمايش‌هاي صورت گرفته، با نتايج تحليلي صورت گرفت.

In this research, counter-current gas-liquid two phase flow is investigated adiabatically in vertical Plexiglas tubes with internal diameters of 60 mm, 80 mm and 110 mm. All of the tubes have the same height of 2 m. So far, there have been few studies on counter-current flows in large diameter tubes. Water and air flow downward and upward through the tubes, respectively. Superficial velocities of air and water ranges are 1.77-7.17 m/s and 0.05-0.11 m/s for 60 mm tube, 0.99-4.03 m/s and 0.03-0.09 m/s for 80 mm tube and 0.55-2.26 m/s and 0.01-0.05 m/s for 110 mm tube. In addition to reverse flow, other main regimes can be observed as slug, churn and annular in the tubes. Our efforts in drawing the flow patterns map were aimed at minimizing uncertainties at the boundaries. Based on the obtained experimental results, slug and annular regimes gradually comprise smaller regions of the flow map as the tube diameter increases. However, churn regime contains larger area of the flow pattern maps. Moreover, Kelvin – Helmholtz instability is observed in tubes and experimental and analytical results represent appropriate consequences in comparison. Eventually, validation of experimental flow patterns map is accomplished by theoretical results.