Experimental study on the reattachment length variation in the bubbly flow in a sudden expansion square pipe

Abstract

In the present study, we experimentally investigate the flow characteristics of both phases in the air-water flow in a sudden expansion square pipe, by measuring the gas and liquid phases simultaneously with high-speed two-phase particle image velocimetry (PIV) and shadowgraph techniques. We consider two Reynolds numbers for the liquid-phase (background) flow as Re = 400 (laminar), and 6000 (turbulent), respectively, and two area expansion ratios as ER = 4.0 and 9.0. The mean volume void fraction (⟨α ̅ ⟩) is varied as 0.12-2.80%. For the gas phase, we developed an automated deep learning-based bubble mask extraction algorithm, that can save time by replacing existing image processing techniques and applying it to the bubble characteristics analysis. We measure the three-dimensional void distribution, bubble velocities, and trajectories, which are captured at the same time with the liquid-phase velocity field that was also compared to the single-phase flow measured under the same condition. It is observed that larger bubbles experience a stronger lift force and move towards the wall faster than smaller bubbles after expansion which is more encouraged by the steeper velocity gradient with increasing the Reynolds number. However, at a lower expansion ratio, the larger bubbles are unable to overcome the wall repulsion force and rise in a pipe core region, at a higher expansion ratio, larger bubbles are able to reach the wall and exhibit a peak in bubble size near the wall. In addition, the effect of ER and average void fraction on the change in liquid flow characteristics is analyzed, and the effect of gas-phase and pipe geometry on the rate of development of the shear layer is analyzed by calculating the shear layer vorticity thickness. Based on the measured flow statistics, the interfacial forces acting on the rising bubbles are calculated to explain the void distribution, which is largely governed by the liquid-phase flow characteristics. Affected by the bubble distribution, the enhanced turbulence in the inlet flow energizes the separating shear layer, resulting in the reduction of reattachment length behind the edge. Finally, we summarize the changes in reattachment length according to flow conditions and pipe geometry, in particular, analyze the effects of ER and mean void fractions. We expect that the present results will assist the deeper understanding of the interaction between different phases and the change of reattachment length depending on the flow conditions in the gas-liquid flow in sudden expansion geometry, which is close to practical interest.

본 연구에서는 고속 2상 입자영상속도계(PIV)와 그림자영상기법을 활용하여 기체상과 액체상을 동시에 측정하여 단면적이 급격한 팽창하는 정사각관의 공기-물 2상 유동에서 유동 특성을 실험적으로 조사하였다. 우리는 액체상 Reynolds 수를 각각 Re = 400(층류) 및 6000(난류)으로, 면적 팽창비를 ER = 4.0 과 9.0으로 설정하였으며 평균 체적 기포분율(⟨α ̅ ⟩)은 0% (단상유동)에서 2.80%까지 변화시켰다. 기체상 영상의 분석을 위해 기존 영상처리 기술을 대체하여 시간을 절약할 수 있는 딥러닝 기반의 자동화된 기포 마스크 추출 알고리즘을 개발하여 기포 특성 분석에 적용하였다. 기포분율과 팽창비에 따른 액체상 속도장을 단상유동과도 비교하는 동시에 3차원 기포분포, 기포속도, 궤적을 측정하였다. 크기가 큰 기포는 팽창 직후 더 강한 양력을 경험하여 작은 기포에 비해 빠르게 벽을 향해 이동하는 것이 관찰되었으며, 레이놀즈 수가 증가함에 따라 액체상 속도 구배가 더 가파르게 변하기 때문에 이러한 기포 크기에 따른 이동 양상은 촉진된다. 그러나 팽창비가 작으면 큰 기포는 벽 반발력을 극복하지 못하고 관의 중심부로 밀려나 상승하게 되고 팽창비가 커지면 큰 기포는 벽에 도달할 수 있으며 벽 근처에서 기포 크기의 피크가 관찰된다. 또한 팽창비와 평균 기포분율이 액체상의 유동특성 변화에 미치는 영향을 분석하고, 전단층 와도 두께를 계산하여 기포와 파이프 형상이 전단층의 발달 속도에 미치는 영향을 분석하였다. 액체상의 유동 특성에 의해 기포 크기의 분포가 변하는 양상을 설명하기 위해 액체상의 유동장을 기반으로 상승하는 기포에 작용하는 계면힘을 계산하여 검증하였다. 기포 분포의 영향을 받아 팽창 전 유동의 난류도가 강화되고 이는 분리 전단층에 에너지를 공급하여 계단 뒤의 재부착 길이를 감소시킨다. 마지막으로 유동조건 및 배관형상에 따라 재부착길이가 변화하는 양상을 정리하였고 특히 팽창비와 기포분율의 영향을 상세히 분석하였다. 본 연구 결과는 실제 산업현장에서 사용되는 구조인 팽창 내의 기체-액체 2상 유동의 유동 조건에 따른 재부착 길이의 변화와 두 상간의 상호작용에 대한 보다 깊은 이해에 도움이 될 것으로 기대한다.