Механизм перехода от стратифицированного к кольцевому режиму газожидкостного течения в горизонтальной трубе

Газожидкостные потоки в горизонтальных каналах встречаются в аппаратах теплообмена, химической, ядерной и нефтегазовой промышленности. При низких расходах жидкости, QL, и газа, QG, реализуется стратифицированный режим течения: жидкость течет по дну канала, занимая нижний сегмент поперечного сечения трубы. При высоких расходах фаз реализуется кольцевой режим: жидкость формирует пленку, покрывающую всю внутреннюю поверхность трубы. Смена режимов течения оказывает существенное влияние на интегральные характеристики потока, включая перепад давления и интенсивность отвода тепла от стенок канала. Физический механизм смены режимов течения (в частности, подъема жидкости по стенкам трубы) является предметом научных дискуссий на протяжении более 50 лет. Основными конкурирующими гипотезами являются заброс жидкости крупными трехмерными волнами и сдвиговое воздействие вторичных вихревых течений в газовой фазе. В отличие от предшествующих работ, проводимых в области установившегося течения, в данной работе исследовалась трансформация исходно стратифицированного потока с увеличением расстояния от входа в канал. Показано, что переход к кольцевому режиму осуществляется за счет постепенного подъема жидкости по стенкам канала. При этом локальная высота подъема жидкости практически не чувствительна к прохождению крупных волн. Обнаружены два переходных режима. При высоких QG и низких QL подъем жидкости происходит сходным образом, но жидкость не достигает потолка канала. При низких QG и высоких QL происходит локальный подъем жидкости за счет действия волн, однако формирования устойчивого орошения не происходит. Обнаружена линейная зависимость высоты подъема жидкости от степени шероховатости поверхности пленки, что также согласуется с гипотезой о вторичном течении.

Изменение средней высоты подъема жидкости по стенкам канала вниз по потоку для различных режимов течения.

Карта режимов течения, сравнение с расчетом по модели Taitel & Dukler (1976).

Высота подъема жидкости по стенкам канала вдали от входа, сравнение с обобщением на основе данных по шероховатости поверхности пленки на дне канала.

ИТ СО РАН. Руководитель работы – Черданцев Андрей Викторович с.н.с., д.ф.-м.н.; Здорников Семён Александрович лаборант, студент; Черданцев Михаил Викторович инженер; Исаенков Сергей Владимирович н.с., к.ф.-м.н.; Маркович Дмитрий Маркович директор ИТ СО РАН, д.ф.-м.н., профессор, академик РАН. Тел. +7 (383) 332-56-78.