[论文解读] Interfacial area transport for bubbly-to-slug transition flows in small diameter pipes

Zhuoran Dang, Mamoru Ishii|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2020

Fluid Dynamics and Mixing参考文献 33被引用 13

一句话总结

本研究为IATE（界面面积输运方程）开发了一种过渡函数，以预测小直径管道（12.7 mm）中从泡状流到泡状-段塞流过渡期间的剧烈群体间转移。通过基于气泡尺寸和空隙率阈值建模由尾迹卷吸驱动的聚并起始，采用S型过渡函数的改进模型显著提升了低液速区域的预测精度，尤其在传统IATE失效的区域。

ABSTRACT

This study aims to experimentally investigate the two-group interfacial area transport in small diameter pipes. Experimental data focusing on the bubbly to slug transition regime, namely one-group to two-group transport region, are collected in a 12.7 mm vertical pipe under adiabatic, air-water conditions. The result shows the intergroup transfer in the small diameter pipe can be drastic, especially under low superficial liquid velocities. The cause of this phenomenon is mainly due to the large relative bubble size comparing to the pipe cross-sectional area. The wake entrainment effect could be enhanced by the small spherical bubbles that are acting like cap or slug bubbles in a medium-size pipe. Based on the experimental observation, a throughout analysis of the dependence of the drastic intergroup transfer is provided in this study. The models predicting the initiation of drastic intergroup transfer in small diameter pipes in terms of the bubble diameter and the void fraction are developed. These models are compared with the two-phase data among the different pipe sizes and the results show a good agreement. These newly developed models are applied to the IATE wake entrainment model by developing a transition function analogous to the sigmoid function. With the transition function, the revised IATE model is given the new ability on predicting the drastic intergroup transfer phenomenon.

研究动机与目标

• 研究小直径管道中泡状流到段塞流转变期间剧烈群体间转移的机理。
• 识别在尾迹卷吸占主导地位并触发界面面积急剧传输的关键条件——特别是气泡尺寸和空隙率。
• 基于12.7 mm垂直管道的实验数据，开发一种剧烈群体间转移起始的预测模型。
• 通过连续过渡函数将该模型整合到IATE框架中，实现在流动状态转变过程中的准确预测。

提出的方法

• 在12.7 mm垂直气-水管中，采用四传感器电导率探针在绝热条件下采集实验数据。
• 分析了关键的两相流参数：空隙率、界面面积浓度（IAC）、气泡速度和Sauter平均直径（Dsm）。
• 基于尾迹卷吸和稳定性机理，利用基于气泡尺寸（Dtr, Dre）和空隙率（αtr）的模型，推导出剧烈群体间转移的临界阈值。
• 提出一种S型过渡函数T(Dsm, α)，引入松弛参数a和β，当达到临界条件时，平滑激活尾迹卷吸模型。
• 通过修改IATE中的气泡聚并速率项WE11,2，将该过渡函数应用于IATE，实现在单群体到双群体转变过程中的连续预测。
• 利用12.7 mm、25.4 mm和50.8 mm管道的扩展数据库更新模型系数，以提高预测保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小直径管道中，泡状流到段塞流转变期间，特别是在低液速条件下，是什么导致了剧烈的群体间转移？
• RQ2 气泡尺寸和空隙率如何影响小直径流型中增强尾迹卷吸的起始？
• RQ3 定义剧烈群体间转移转变的临界阈值（Dtr, Dre, αtr）是什么？
• RQ4 如何修改IATE模型以实现对该现象的预测，而无需依赖不连续的流动状态假设？
• RQ5 基于S型行为的连续过渡函数能否准确捕捉小管径中群体间转移的起始与演变过程？

主要发现

• 在12.7 mm管道中，剧烈群体间转移主要发生在低表观液速（<jf）条件下，原因在于气泡相对尺寸较大，与管道横截面相比显著。
• 该现象由增强的尾迹卷吸驱动，其中小球形气泡在大管中表现如帽状或段塞状气泡，促进快速聚并。
• 识别出剧烈转移起始的临界阈值：αtr ≈ 0.25，Dtr ≈ 4 mm，Dre基于雷诺数，且在小管中Dtr起主导作用。
• 提出的过渡函数T(Dsm, α)，参数a = 0.01和β = 9×10⁻⁶，在12.7 mm、25.4 mm和50.8 mm管道数据中成功捕捉了剧烈转移的起始。
• 采用该过渡函数的改进IATE模型在剧烈转移事件中提升了预测性能，同时在非极端工况下保持了高精度。
• 系数更新（CWE(22,2)从0.15提升至0.4，CSO(2,12)从0.12降低至0.002）显著增强了模型在扩展实验数据库上的表现。