Effect of surface tension and gas-liquid density ratio on the wave height and interfacial shear stress in annular flows

環状流における波高および界面せん断応力に対する表面張力および密度比の影響

Zhang, H.*; 梅原 裕太郎*; 堀口 直樹   ; 吉田 啓之  ; 森 昌司*

Zhang, H.*; Umehara, Yutaro*; Horiguchi, Naoki; Yoshida, Hiroyuki; Mori, Shoji*

過去数十年にわたり、環状流の液膜特性(膜厚や波高など)は広く研究されてきた。しかし、過去研究における実験や解析のデータのほとんどは大気圧近傍条件下の空気水環状流のものに限定されていた。そのため、表面張力や気液密度比の変化も限定的であり、これらが環状流の液膜特性に及ぼす影響は十分に理解されていない。本研究の目的は、表面張力および気液密度比が環状流の波高および界面せん断応力に及ぼす影響を明らかにすることである。気液環状流の実験を行い、時間とともに変化する液膜の厚さを測定した。作動液体として水とエタノールを、作動気体として窒素とHFC134aガスを用いることで、表面張力を30.767.4mN/m、密度比を27434の範囲で変化させた。コンダクタンスプローブ法を用いた測定のセンサー精度はである。測定データの後処理することで、液膜特性(ベース膜厚、平均膜厚、最大膜厚)およびじょう乱波の波高を推定した。実験の結果として、じょう乱波の波高のデータは界面せん断応力に対してプロットすると単一の曲線に収束した。これは、じょう乱波の形状が表面張力および界面せん断応力のバランスによって決まるためと考えられた。さらにポテンシャル法に基づく分析により、じょう乱波高さおよび界面せん断応力の間に直接的な関係があることがわかった。これらの知見は、環状流れのダイナミクスに関する理解を深め、二相流モデルの改良に貢献する。

In the past decades, the liquid film characteristics of annular flow, such as film thickness and wave height, have been studied extensively. However, most of experimental data and analyses available in previous studies are limited to the air-water annular flows under near-atmospheric conditions. Thus, the variation in surface tension and gas-liquid density ratio is also limited, and their effects on the characteristics of annular flow are not well-understood. The objective of this study is to clarify the effect of surface tension and gas-liquid density ratio on the wave height and interfacial shear stress in annular flows. We conducted experiments for gas-liquid annular flows and measured the time-varying liquid film thickness. Using water and ethanol as working liquids, whereas nitrogen and HFC134a gas as working gases, we varied the surface tension range from 30.7 to 67.4 mN/m and density ratio range from 27 to 434. The accuracy of sensors for the measurement using the conductance probe method is 5%. By post-processing for the measurement data, liquid film thicknesses (base, average, and maximum film thickness) and wave height were estimated. As the experimental results, the data of both the maximum film thickness and the height of disturbance wave converged on a single curve when they plotted for the interfacial shear stress. The reason was considered that the shape of the disturbance wave is decided by the balance between the surface tension and the interfacial shear stress. With additional analysis based on a potential method, a direct relationship between the height of disturbance wave and interfacial shear stress was clarified. These findings enhance the understanding of annular flow dynamics and contribute to improving the two-phase flow modelling.