哈工大多相流體力學講義

1、多相流體力學 講義市政環(huán)境工程學院多相流體力學教學內容及要求課程名稱:多相流體力學英文名稱:Multi-phase Fluid Mechanic學 分:2總 學 時:36開課單位:市政環(huán)境工程學院 建筑熱能工程系授課對象:水力學與河流動力學專業(yè)研究生、供熱供燃氣通風及空調工程專 業(yè)研究生課程要求:必修課、任選課、先修課程:流體力學、傳熱學、工程熱力學參考教材:(1 兩相與多相流體動力學 郭烈錦 編著,西安交大出版 社 (2 兩相流體力學 孔瓏 主編,高等教育出版社; (3 兩相流體力學 王慕賢 主編,哈工大出版社 , (4 兩相流與沸騰換熱 魯鐘琪 編著,清華 大學出版社;一、本課程的性質、教

2、學目的及其在教學計劃中的地位與作用多相流體力學及其測量在動力、化工、石油、制冷、宇航等一系列工程中均 得到重要應用。多相流體力學是一門較為年輕的學科,是流體力學的一個重要分 支,至今只有數(shù)十年的歷史。主要研究氣液、液液、氣固、液固、氣液固或氣固 液等多種流體在管內或管外流動時(有換熱的或無換熱的的流動型態(tài)、流動阻 力、流動穩(wěn)定性、多種流體的混合、分離和在并聯(lián)管中的分配均勻性等問題。對 于這些流動機理及多相流體測量技術均屬國際有關前沿課題,有廣闊的發(fā)展空間 和創(chuàng)新領域。對于發(fā)展現(xiàn)代或未來的創(chuàng)新工程具有重要的理論和實用意義,并可 取得重要經(jīng)濟效益。本課程為水力學專業(yè)研究生的必修課、建筑環(huán)境與設備工

3、程專業(yè)重要的選修 課課之一,主要用于增強學生的專業(yè)理論水平,拓寬學生的知識面,了解本領域 的國內外研究動態(tài),提高科技創(chuàng)新能力,訓練學生利用所學理論解決實際工程實 際的能力和原始創(chuàng)新能力。作為流體力學的一個分支,本課程以經(jīng)典流體力學的基本原理為理論體系, 既有嚴密的理論分析,又有實驗研究。充分體現(xiàn)了為工程服務的理論聯(lián)系實際的 工程流體力學類課程的基本性質。通過本課程的學習,可使學生掌握兩相共存時流體力學中基本理論、基本概 念,以及在土木工程領域的具體應用以及表現(xiàn)形式;了解國內外研究動態(tài);在多 相流領域尋求科技創(chuàng)新點。二、本課程的主要內容,各章節(jié)內容及學時如下表:時數(shù) 教學 ( 授 課 或 討 論

4、 內 容4 第一章 緒 論1.1兩相與多相的定義與分類1.2多相流體力學的發(fā)展史1.3多相流的研究和處理方法1.4國內多相流領域的最近研究課題 1.5多相流中的專用術語及常見參數(shù)4 第二章 多相流相場空間結構2.1概 述2.2相速度和相含率分布1、 微分分析法 2、積分分析方法2.3流型及其轉變特性1、氣液兩相流流型及流型圖2、 流型轉變界限積機理4 第三章 兩相流的基本方程3. 1均相定常一維流動基本方程 3.2分相一維定常基本方程3.3解析模型基本方程(二流體模型 3.4兩相流的?；c準則特性方程4 第四章 兩相流的壓降4.1 汽液兩相流動量方程的積分1、 均相流積分 2、分相流積分4.2

5、 全液相折算系數(shù)、分液相折算系數(shù)、分氣相折算系數(shù) 4.3 氣液兩相的截面含氣率1、一維二速度模型 2、二維一速度模型 3、二維二速度模型 4. 4 汽液兩相流壓降的經(jīng)驗方法4 第五章 氣液環(huán)狀流動的解析分析 5.1 概述5.2 三角關系式及其簡化 5. 3 摩擦壓降與空泡率的關系 5.4 液體夾帶5.3 摩擦壓降的計算4 第六章 氣固、液固兩相流6.1固體物料顆粒的特性1、顆粒在流體中的沉降與懸浮 2、固體顆粒的粒徑、粒度分布 6. 2固體顆粒床的流體力學原理1、 固體顆粒床的分類 2 、 均勻圓球顆粒固定床的流體力學原理 3、實際物料固定床的厄貢公式 4 流化床的流體力學原理46. 3氣力、

6、水力輸送的基本方程與基本概念1、 氣力輸送的基本工作參數(shù) 2、 作用在顆粒上的力 3 、 水平管 氣力輸送的流型 4 、稀相輸送時顆粒群在直管中運動微分方程 6. 4氣力、水力輸送能量損失估算6.5 固體顆粒在流體中的沉降分離與旋流分離4 第七章 兩相流動的測量技術與實踐 7.1汽液兩相流的測量7.2氣固兩相流的測量7.3多相流測量實踐4 針對課堂講授內容的總結,問題討論、教學效果探討及答疑備考 三、本課程的其他教學環(huán)節(jié)無。四、考核方式成績?yōu)榘俜种??？荚噧热莼靖采w全部授課內容。第一章 緒 論1.1兩相與多相的定義與分類兩相流就是指必須同時考慮物質兩相共存且具有明顯相界面的 混合物流動力學關系

7、得特殊流動問題。在不同的學科中,根據(jù)研究對象的不同特點,對相各有特定的說 明。比如物理學中,單相物質的流動稱為單相流,兩種混合均勻的氣 體或液體的流動也屬于單相流。同時存在兩種及兩種以上相態(tài)的物質 混合體的流動就是兩相或多相流。在多相流動力學中,所謂的相不僅 按物質的狀態(tài),而且按化學組成、尺寸和形狀等來區(qū)分,即不同的化 學組成、不同尺寸和不同形狀的物質都可能歸屬不同的相。在兩相流 研究中,把物質分為連續(xù)介質和離散介質。因為顆粒相可以是不同物 態(tài)、不同化學組成,不同尺寸或不同形狀的顆粒,這樣定義的兩相流 不僅包含了多相流動力學中所研究的流動,而且把復雜的流動概括為 兩相流動,使問題得到簡化。此外

8、還有動力學意義上的相及物理上的 相。自然界和工業(yè)過程中常見的兩相及多相流主要有如下幾種,其中 以兩相流最為普通。1. 氣液兩相流氣體和液體物質混合在一起共同流動稱為氣液兩相流。它又可以 分單組分工質如水水蒸氣的汽液兩相流和雙組分工質如空氣水 氣液兩相流兩類,前者汽、液兩相都具有相同的化學成分,后者則是兩相各有不同的化學成分。單組分的汽液兩相流在流動時根據(jù)壓力和 溫度的變化會發(fā)生相變,即部分液體能汽化為蒸汽或部分蒸汽凝結成 液體;雙組分氣液兩相流則一般在流動中不會發(fā)生相變。2. 氣固兩相流氣體和固體顆?；旌显谝黄鸸餐鲃臃Q為氣固兩相流。嚴格的說,固體顆粒沒有流動性,不能作流體處理。但當流體中 存

9、在大量固體小粒子流時,如果流體的流動速度足夠大,這些固體粒 子的特性與普通流體相類似,即可以認為這些固體顆粒為擬流體,在 適當?shù)臈l件下當作流體流動來處理。引入擬流體假設后,氣固兩相流 動就如同兩種流體混合物的流動,可以用流體力學、熱力學的方法來 處理問題,使兩相流的研究大為簡化。又由于其假定的前提,使用擬 流體假設時要特別注意適用條件。處理顆粒相運動時,某些方面把其 看作流體一樣,但另一些方面則必須考慮顆粒相本身的特點。 3. 液固兩相流液體和固體顆?；旌显谝黄鸸餐鲃臃Q為液固兩相流。如工程大 量使用的水力輸送等。4. 液液兩相流兩種互不相溶的液體混合在一起的流動稱為液液兩相流。油田開 采與地

10、面集輸、分離、排污中的油水兩相流,化工過程中的乳濁液流 動、物質提純和萃取過程中大量的液液混合物流動均是液液兩相流的 工程實例。5. 氣液液、氣液固和液液固多相流氣體、液體和固體顆?；旌显谝黄鸬牧鲃臃Q氣液固三相流;氣體 和兩種不能均勻混合、互不相溶的液體混合物在一起的共同流動稱為 氣液液三相流;兩種不能均勻混合、互不相溶的液體與固體顆?；旌?在一起的共同流動稱為液液固三相流。1.2多相流體力學的發(fā)展史18世紀中葉瓦特發(fā)明蒸汽機以來, 工業(yè)事故的時常發(fā)生促使人們 研究鍋爐內的水循環(huán)和傳熱問題。早在 1877年 Boussinesq 就已經(jīng)較 系統(tǒng)地研究明渠水流中泥沙的沉降和輸運。 19世紀末和

11、20世紀初, 已經(jīng)有相關論文的發(fā)表,有的甚至論及了氣液兩相流體流動時發(fā)生的 脈動問題。 1910年 Mallock 研究過聲波在泡沫液體中傳播時強度的衰 減。 19201940年間,發(fā)表了有關氣液兩相流不穩(wěn)定性以及鍋爐水循 環(huán)中氣液兩相流動問題的經(jīng)典性研究論文。兩相流的名詞在 1949年 已見諸文獻。 50年代后, 隨著動力工業(yè)中高溫高壓參數(shù)的引入和宇航 工業(yè)及商用核電站的發(fā)展,大量有關氣液兩相流與傳熱的研究論文開 始出現(xiàn),有關兩相流邊界層、激波在兩相混合介質中的傳播、空化理 論、流態(tài)化技術、噴管流動等方面的研究論文也顯著增加。從 19481949年 Lokhart 和 Matinelli 等

12、人先后提出氣液兩相流摩擦阻力 計算的 Lokhart Matinelli 參數(shù)及經(jīng)驗方法到 1961年 Streeter 主編的 流體動力學手冊用專門一節(jié)介紹兩相流。 20世紀 60年代后,越 來越多的學者從不同的家度探索了描述兩相流運動規(guī)律的基本方程。 因此,兩相流體力學作為一門獨立的學科可以說已經(jīng)形成,并正在迅 猛發(fā)展中。但總的來說,兩相流動力學的理論還很不成熟,尚處于發(fā)展初期,很多方面仍然停留在不同傳統(tǒng)行業(yè)中特定條件下的經(jīng)驗總 結,都還依賴于經(jīng)驗數(shù)據(jù),而且數(shù)據(jù)的分散性還很大。故而可以說要 使兩相與多相流動真正成為一門獨立成熟的科學,還有很艱難很遙遠 的路程要走。1.3多相流的研究和處理方

13、法與普通流體動力學類似,研究兩相流問題的方法可以分為理論研 究和實驗研究兩方面。由于許多兩相流動現(xiàn)象、機理和過程目前還不 甚清楚,許多工程設計都只能依靠大量觀察和測量建立起來的經(jīng)驗關 系式,因此,實驗研究與測量在兩相流領域目前仍占據(jù)著無可替代的 首要地位。從理論分析方法來看,仍然存在微觀和宏觀兩種觀點。微觀分析法就是從分子運動論出發(fā), 利用 Boltzman 方程和統(tǒng)計平 均概念及其理論,建立兩相流中各相的基本守恒方程。微觀分析法可 以在描述流動問題上有許多概念上的優(yōu)點,可以比宏觀的連續(xù)介質理 論給我們更多的知識,但由于物理上和數(shù)學上的許多困難,目前還不 能使用分子運動論來處理任何實際流動問題

14、。宏觀分析法就是以連續(xù)介質假設為基礎,將兩相流中各相都視為 連續(xù)介質流體,根據(jù)每一相的質量、動量和能量宏觀守恒方程以及相 間相互作用,建立兩相流的基本方程組,再利用這些兩相流基本方程 去研究分析各種具體的兩相流問題。從宏觀觀點分析兩相流的方法又可以分為 3類。1. 擴散模型法即假定相互擴散作用是連續(xù)進行,其基本觀點是:(1 兩 相流混合物體中的每一點都同時被兩相所占據(jù);(2 混 合物的熱力學和輸運特性取決于各相的特性和濃度;(3 各 相以自己的質量速度中心移動,相間相互擴散作用反映在 模型內。2. 有限容積法假定過程處于平衡狀態(tài),可用平衡方程式進行描述,基本方法是:(1 認 為流動是一維的;(

15、2 對 一個有限容積寫出質量、動量和能量守恒方程;(3 守 恒方程即可按混合物寫出,也可按單獨相列出。3. 平均法假定過程處于平衡狀態(tài),用平均的守恒方程進行描述,類似低通 濾波的方法。上訴 3種方法的共同點就是不考慮局部的和瞬時的特性,僅考慮 相界面上流體微粒集中的相互作用,即宏觀動力學。1.4兩相流的課題研究本課程主要研究氣液、液液、氣固、液固、氣液固或氣固液等多 種流體在管內或管外流動時(有換熱的或無換熱的的流動型態(tài)、流 動阻力、流動穩(wěn)定性、多種流體的混合、分離和在并聯(lián)管中的分配均 勻性等問題。對于這些流動機理及多相流體測量技術均屬國際有關前 沿課題,有廣闊的發(fā)展空間和創(chuàng)新領域。對于發(fā)展現(xiàn)

16、代或未來的創(chuàng)新工程具有重要的理論和實用意義,并可取得重要經(jīng)濟效益。林宗虎教授在熱能、 核電、 石化等工程的重要理論 -氣液兩相流與 傳熱學科領域取得多方面開創(chuàng)性成果。在氣液兩方面:他創(chuàng)建的兩 相流孔板流量計算式可通用于各種壓力、不同組分、多種兩相流體和 變壓力工況,被國際上推薦為最佳式,稱林氏公式,并被收入國內外 6本著作,被引用數(shù)十次。他首先對U型管內兩相流體壓力降型脈動 機理進行系統(tǒng)研究 , 創(chuàng)建其 計算程序和脈動判別法并解決過電站鍋爐 嚴重脈動問題。他創(chuàng)建了 3種兩相摩阻計算法和一種截面含汽率計算 式并被廣泛應用。在沸騰傳熱方面:創(chuàng)立了國際上第一個脈動流動時 的沸騰傳熱計算式,可用于光管

17、和多種強化傳熱管,開拓了傳熱研究 新方向。對過冷沸騰傳熱、穩(wěn)定流動沸騰傳熱均有研究成果。在多相 流測量方面:在林氏公式基礎上,他首先解決了用一個元件同時測定 兩相流量和組分兩個參數(shù)的國際難題并得到專利和應用,經(jīng)濟效益顯 著。主要研究熱能動力、石油、化工、核能及環(huán)境工程內的多相流體 的流動及傳熱規(guī)律。主要包括以下幾個方面:1.多相流體流量測試技術 油 -氣 -水三相流計量技術及儀表,蒸汽 -水 流量計2.油氣安全混輸理論和技術 段塞流的形成及防止,段塞流的檢測3.采油測井技術 井下吸汽、吸水及吸聚合物剖面測試技術,井下產(chǎn) 液剖面測試技術4. 超臨界流體技術 超臨界機組的汽 -固磨蝕, 超臨界流體

18、技術在環(huán)保工程中的應用5. 多相流體動力學及其數(shù)值計算 (熱能動力工程、石油、化工、冶 金工程、環(huán)境工程以及生命血液流動等應用領域 6. 多相流測試技術及熱工儀表開發(fā)7. .CO2的流動和相變換熱;超臨界 CO2萃取技術近年來,兩相流領域國家自然基金資助情況:2002年資助項目: 2004年資助項目: 2005年,項目 2006年,項目 1.5多相流中的專用術語及常見參數(shù)質量流量是指單位時間內流過通道總流通截面積的流體質量,用 W 表示。兩相流總的質量流量是各相質量流量之和。質量流速是單位流通截面積上的質量流量,用 G 表示。容積流量是指單位時間流過通道總流通截面積的流體容積,用 Q 表示。兩

19、相流總的容積流量同樣是各相容積流量之和。 容積流速是單位流通截面積上的容積流量,又稱折算速度。 各相的折算速度表示兩相混合物中任何一相單獨流過整個通道 截面積時的速度,稱為該相的折算速度。容積相含率是指各相容積流量與總容積流量之比。在氣液兩相流 系統(tǒng)氣相的容積相含率又稱為容積含氣率。各相真實流速 : 各相容積流量除以流動中各相各自所占流通截面 積即為各相的真實流速。真實相含率或截面相含率 : 某相的流動在任意流通截面積上所占 通道截面積與總的流通截面積之比稱作該相的真實相含率或截面相 含率。對氣液兩相流,氣相的真實相含率又稱為截面含氣率、真實含 氣率或空隙率。兩相流中各相真實速度的比值稱為滑動

20、比?；扑俣仁侵竷上嗔鞲飨嗾鎸嵥俣鹊牟?。漂移速度是指輕相速度與兩相混合物平均速度之差。兩相混合物平均速度指當滑動比 S=1時兩相混合物的速度。 漂移流率是指滑移速度的兩邊乘以通分后的分母項,消去分母項 后的等式。兩相混合物的密度與比容兩相流體的密度由兩種表示法:流動密度和真實密度流動密度:指單位時間內流過界面的兩相混合物的質量與容積之 比。教材 (4 P7加權參數(shù):為了計算方便和進行試驗數(shù)據(jù)擬和,常對兩相流的真 實參數(shù)進行權重因子的加權;后面,根據(jù)需要可隨時提出這類加權參 數(shù):例如粘度: 11g lu uµ=+;導熱系數(shù):(1 g l k k k =+教材 (4 P2實際參數(shù)和虛擬參

21、數(shù):可定參數(shù)和不定參數(shù):二者之間的關系第二章 多相流相場空間結構2.1概述多相流最為顯著的特征就是在時空尺度上表現(xiàn)出的各相流 速與相濃度或相含率的不均勻性、流動結構與參數(shù)的多值性和轉 變過程的不可逆性。兩種及兩種以上不同相的物質共存和運動所 造成的系統(tǒng)內部不同區(qū)域各相的份額、流動參數(shù)等均存在差異, 即使是穩(wěn)態(tài)流動,系統(tǒng)內部不同區(qū)域間的相態(tài)及其分布也不是均 勻一致的,這就是時空尺度上的不均勻性。 由于多相介質的共 存和相界面的多變,多相流的宏觀結構即流型也呈現(xiàn)多種狀態(tài)。 相應于不同的流型,即便系統(tǒng)運行的宏觀參數(shù)相同,多相流場中 狀態(tài)及流動參數(shù)的分布與取值也不會相同,表現(xiàn)出一種流動結構 與參數(shù)的多

22、值性。過程的不可逆性表現(xiàn)在微觀上,相間界面微層 結構內分子隨機運動所造成的界面變形的隨機性與系統(tǒng)中宏觀 狀態(tài)的不穩(wěn)定性誘發(fā)的狀態(tài)轉變等都屬于能量耗散過程,這種耗 散結構的轉化是不可逆的熵增過程。對于穩(wěn)態(tài)流動而言,時空尺 度上不均勻性和狀態(tài)多值性的具體表現(xiàn)主要有流場中相速度和 相含率的分布、相界面宏觀結構即流型的多種形式及其相互轉 變。下面我們就相速度和相含率的分布、流型及其轉變的基本規(guī) 律以及研究方法作一簡要地介紹。2.2 相速度和相含率分布所謂微分分析法就是針對流場中的一微元體建立微分方程,解微分方程得到速度和濃度在流場中分布的方法。1. 單相流中的速度分布在單相流中,如果忽略由于溫度差異和

23、壓強差異而引起的流 體物性變化,在通道流通橫截面上“濃度”分布通常是均勻一致 的。圓管內無量綱速度的分布為:1u Iny C k+=+ 2. 兩相流中的速度分布假設流動是局部均勻的,那么上述針對單相流的方法同樣也 適用于兩相或多相流動。所謂積分分析法,就是先假設流場中相速度和濃度分布,用 積分形式的方程來描述這些分布,同時使它們滿足動力學條件和 幾何條件要求。例如對圓管內的氣液兩相流, Bankoff 變密度模型即是以局 部均勻流動及沒有相對速度的假設為基礎,假定相速度和濃度分 布服從乘方律,于是有 10m m u y u r = 10nm y r = 式中 m u 和 m 分別是管道中心的連

24、續(xù)相速度值和當?shù)睾呗手? y是離壁面的距離, 0r 是管道半徑。等效單相流動的平均速度可由積分得到4960m u u = 若含氣率為 ,液膜中的平均速度為(0117020001 21r f m y u u r y dy r r = 積分后得( 149601f m u u = 由壁面剪切應力定義知21w fw C u = 2.3 流型及其轉變特性1. 垂直上升管中的氣液兩相流流型及其流型圖(1細泡狀流型是最常見的流型之一,其特征為在液相中帶有散布在液體 中的細小氣泡。(2氣彈狀流型由一系列氣彈組成。氣彈端部呈球形而尾部是平的。(3塊塊流型當管內氣速增大時,氣彈發(fā)生分裂性成塊狀流型。此時大小 不

25、一的塊狀氣體在液流中以混亂狀態(tài)流動。(4帶纖維的環(huán)狀流型在這種流型中,管壁上液膜較厚且含有小氣泡。管子核心 部分主要是氣體,但在氣流中含有由被氣體從液膜帶走的細小液滴形成的長條纖維。(5環(huán)狀流型在這種流型中,管壁上有一層液膜,管子核心部分為帶有自 液膜卷入的細小液滴的氣體。環(huán)狀流型都發(fā)生在較高氣體流速 時。2. 垂直下降管中的氣液兩相流流型及其流型圖(1細泡狀流型(2氣彈狀流型(3下降液膜流型(4帶氣泡的下降液膜流型(5環(huán)狀流型(6霧式環(huán)狀流型3. 水平管中的氣液兩相流流型及其流型圖氣液兩相流體在水平管中流動時的流型種類比垂直管中的 多。這主要是由于重力的影響使氣液兩相有分開流動的傾向造成 的

26、。(1細泡狀流型(2氣塞狀流型(3分層流型(4波狀分層流型(5氣彈狀流型(6環(huán)狀流型4. 立式螺旋管內向下流動的流型及其轉變特性(1分層流(2波狀分層流(3彈塊狀流(4柱塞狀流(5環(huán)狀流(6分散泡狀流實驗結果表明,隨著螺旋曲率直徑比 D/d的減小,分散泡狀 流轉變發(fā)生在較低液速下,低氣速下分散泡狀流轉變液速隨 D/d變化不大,僅略有上升,原因可能是低氣速下離心力與重力的作 用使小螺旋直徑管內氣液兩相更趨分離。5. 臥式螺旋管內流型及其轉變特性(1水 /空氣兩相流試驗結果與分析1 流型的分類與定義A. 全管圈整體觀察結果a 不穩(wěn)定停滯脈沖流這是一種以周期性脈沖形式出現(xiàn)的流動,類似于但不同于間歇

27、狀流,發(fā)生在很低的混合物流速下。b 間歇狀流當混合物流速變高后,液相沿管圈圓周向成連續(xù)狀態(tài),而氣相 呈氣彈狀或以不連續(xù)形式隨液相流動,或以混塊狀形式掠過管 道。c 環(huán)狀流液相呈環(huán)膜狀沿管壁向前流動,高速中心氣流夾帶液粒。液 膜沿管圈圓周角和管壁周向分布都不均勻,管圈上升區(qū)段液膜 厚度較下降區(qū)段要后得多。d 分散泡狀流高液速條件下氣相以離散泡狀形式分布在連續(xù)的液體中,由 于離心力的作用,液相一般在管圈外側流動,氣相則在管內側 流動。B. 局部區(qū)段流型觀察結果a1010區(qū)段在該區(qū)段全流量范圍內管內底層都始終保持一層液 體,液層表面存在較大波動,隨著全管圈宏觀流型向連續(xù)的 間歇狀流動轉變,該區(qū)段流型

28、也變?yōu)閺棄K狀貨柱塞狀流。 b170200區(qū)段在該區(qū)段內出現(xiàn)的流動結構大致可分為如下 4種:干涸-脈沖流波狀流與混塊狀流環(huán)狀流分散泡狀流c=90附近的上升流區(qū)段在該區(qū)段,全流量范圍內管壁周圍始終有液體保護,氣液兩相 出現(xiàn)泡狀流動、彈、混塊狀流動、環(huán)狀流動 3種基本流型,泡狀流動中又可分為孤立泡狀流及離散密集泡狀流兩種子區(qū)域。 d=-80100下降流區(qū)段在該區(qū)段,氣液兩相流出現(xiàn)波狀分層流動、分散泡狀流動 和環(huán)狀流動 3種基本流型。 波狀分層流中又可對應于全管圈不 穩(wěn)定停滯脈沖流和間歇狀流分為間歇脈沖式波狀流和連續(xù)波 狀流兩種子區(qū)域。e=-20-40區(qū)段在該區(qū)段內流動分為向下傾斜流, 兩相流型大致分

29、為感和-脈沖溪流,波狀流,環(huán)狀流和分散泡狀流。2轉變特性試驗結果與分析3種管圈流型圖都可分為 4個區(qū)域, 存在 3條轉變線, 它們是 不穩(wěn)定停滯脈動流間歇狀流分散泡狀流轉變和間歇狀流 環(huán)狀流轉變。(2水 /水蒸氣中、高壓兩相流試驗結果與分析A. 流型的分類與定義a 泡狀流b 間歇混塊狀流c 環(huán)狀流B. 轉變特性試驗結果與分析1. 轉變界限的無量綱表述Taitel 等應用了一系列無因此參數(shù)來確定水平管中各種流型的轉換界限。無因此液位高度為 ll h h D=液相的無因此當量直徑 44L LL L LA A D P D P = 無因此值 20G LK u u無因此判別式 (228GniLL L A

30、 T Pu u D 2. 轉變機理 1 環(huán)狀流簡述。氣液兩相環(huán)狀流是蒸發(fā)管內最基本最常見而且傳熱 A. 屬于這種流型,研究環(huán)狀流的形成或轉變機理,建立環(huán)狀 流的預報模型并預報其各種特性, 是兩相流領域內很重要、 也是目前最熱門的一項工作。 B. 臥式螺旋管內環(huán)狀流的轉變臥式螺旋管內的流動,沿管圈流動時,要經(jīng)歷由傾斜 上升到傾斜下降全周位的變化,流動方向的連續(xù)改變,致 使作用在流體質點上的體積力的大小、 方向及作用機制也 發(fā)生變化, 因此兩相流體在臥式螺旋管內不同圓周角位置 處的流型特征及其轉變機理都存在著差異。 C. 臥式螺旋管內環(huán)狀流的轉變的機理 a 液膜失穩(wěn)條件b 自然阻塞準則 c 夾帶和

31、沉積條件 d 液體粒子的橫向拋移機理 e 液膜破裂機理D. 環(huán)狀流轉變邊界的聯(lián)合準則方程 其無量綱轉變準則如下:(3317511lll lY X +=式中 12224242nl lo l lo l lo n g go g go go g c V d V dp d dz X dp c V d V dz d =(sin /l g go dp Y g dz =2 泡狀流的轉變A. 簡述。泡狀流動實際上有 2種類型:a 是主流液體流速很低, 其紊流強度根本不足以將汽相離散 化,但氣體流量極小,仍可觀察到液體中攜帶有稀疏 孤 立的小氣泡的流型。b 是在高液速下, 主流液體的紊流強度足夠的大, 紊流應力

32、足以使得汽相分裂成較小的類球形小氣泡以離散密集方 式分布在液流中, 同時紊流應力還起著防止離散氣泡聚集 的作用,這種流型稱之為分散泡狀流。 B. 臥式螺旋管內泡狀流轉變的機理與模型。通過對前人工作進行的總結和實驗觀察,作者認為分散泡狀流動的轉變機理在所有的傾斜位置基本一致,即紊流應力克 服浮力、表面張力及其它力的作用而使氣泡 分裂并阻止聚集 是分散泡狀流存在的主要條件。第三章 兩相流的基本方程3.1 均相定常一維流動基本方程氣液均相混合物在變截面直管道中定常流動。取長 l ,截面A A+( l的微管段,段中流體的受力,速度,壓強的變化。1. 連續(xù)方程將連續(xù)方程式(3 25a 應用于該管流,有

33、gA =常數(shù),所以( 0d vA dl = 1110d dv dAdl v dl A dl+= 式中, , v 分別為混合物的密度, 速度, 由式 (11 17 或 (11-17a , (11 9確定。對于截面不同不變得直管道,有(0d v dl= 0d dv v dl dl +=2. 動量方程將動量方程式(3 32應用于該管流,有( sin 1( (2m w vq v l v gA l lpA p A pA p l l p l A l ll l l l +=+式中, gA l =m q g l =mg為管內流體的重量;w 為壁面平均切向應力; 為管道的平均濕周。 略去上式中高于一階的小量,

34、同除以 A l , 并取l 0時的極限,得sin w dp dv g G dl dl A=+ 引用式(11 17a ,(6-42,(3 19 ,上式右端第一,二,三項分別為重力壓降梯度 1111sin ( sin l g l dp g g dl =+加速度壓降梯度2111(1111(a l g l l g l dp dv d G G dl dl dl dAA dl=+摩擦壓降梯度 21112(fw fl g l dp G C dl A d =+ 111(l g l+ 式中,為均相混合物的摩擦因素,質量流率。代入式(11 36 ,得122111(sin 1111111(1112(g f a l

35、g l lg l l g l f lg l dp dp dp dp g dl dl dl dl d dAG dl A dl G C d =+意即氣液均相流的總壓降梯度等于它的重力壓降梯度,加速壓降梯度 和摩擦壓降梯度之和。也就是說,氣液均相流的總壓降用于提高的流 體的位能,加速流體和克服摩擦阻力。通常情況下,如式(11 4a 所示,干度只是比焓的函數(shù);當壓降梯 度很大時,除兩相流的密度將隨之減小外,急劇的壓降還將引生液體 的迅速蒸發(fā),稱為閃蒸。這時,干度則是比焓和壓強的函數(shù)。即lg (, 1( ph h h p dk dhdpdh dp dl h dlp dl h dl p dl=+=+ 將式

36、(11 36a 大括號內第一項的導數(shù)展開,引用上式,得lg 1111111( (1 (1111111(1 (l g l g l g l h gl g l g l d dk d d dl dl dl dl dh d dp h dl p dp p dl +=+=+將式(11 36a ,得12lg 221111111(sin ( 1111111( 2(11111(1 ( l g l g l f l g l l g l h g lg l dp dhg G dl h dl dA G C A dl d d G p dp p =+×+式中2222221111(1 ( 111(h g lg l l

37、g l d G p dp p vv v Ma p p c+=+=如果流動在管道出口達到 Ma =1的臨界狀態(tài),該處管流的壓降梯度趨 于無限大,質量流率等于它的最大值,流動已經(jīng) 塞。如果壓降梯度 不大,干度不隨壓強變化,上式簡化為12lg 221111111(sin ( 1111111( 2(111(1 (l g l g l f l g l l g l g ldp dhg G dl h dl dA G C A dl d d G p dp =+×+顯然,在上述條件下2211(1 (g ld G Ma p dp += 如果兩相流的密度也不隨壓強變化, 式 (11 36c 分母中的方括號等

38、于零,也即 Ma =0,上式成為12211111(sin ( 1111111(2(l g l g l f lgllg l dp d g G dl dl dA G C A dl d =+如果又是截面不變的直管道,上式簡化為12211111(sin (1112(l g l g l flg l dp d g G dldl G C d =+3. 能量方程將能量方程式(3 40應用于該管流,并考慮在推導式(3 42時 對表面力的分析,有222. ( (222(sin ( 2v v v u vA u vA l u vAl v l pvA gA l v pvA pvA l Ql l+=+ 略去上式中高于一階

39、的小量,同除以 vA l ,并取 l 0 時的極限, 得.2l 0m u 1Q(sin (lim 2q ld p d v d g dl dl dl +=由于熱量是過程的函數(shù),換熱率的梯度也只能用極限表示。由熱力學 已知,熱力學能的增量一部分來自外界傳給流體的熱量,另一部分來 自流體內因粘性摩擦作功而轉化的熱量。這些熱量傳給流體,使流體 微團的內能增高, 同時使其體積膨脹而對周圍作膨脹功。 如果用f du dz代表因摩擦作功增加的比熱力學能的梯度,則總比熱力學能的梯度為.l 0m 1Q 1lim ( q l f du du d p dl dl dl =+將上式代入式(11 41 ,得sin f

40、du dp dvg G dl dl dl=+ 比較此式與式(11 36 ,可得f w du dl A=可見,用動量方程或能量方程去確定管內均相流的總壓降梯度和 各部分壓降梯度是一樣的。均相流動是氣液兩相流中最為簡單的流 動,它適用于質量流率大,壓強高的泡狀流和霧狀流。這種流動模型 曾在一些工業(yè)設備,諸如蒸汽發(fā)生器,石油,制冷設備等的設計中被 廣泛采用。3.2 分相一維定常基本方程圖 11 11所示為在變截面直管道中取出的長, 截面的微管段。 管 中為氣液純環(huán)狀流動,中心部分為氣核,氣核的外面為環(huán)狀液膜;段 中流體的受力,速度,壓強的變化,如圖所示。下面先討論氣液分界 面上的耦合條件,以便推導氣

41、液分相定常流的基本方程。 1. 氣液分界面的耦合條件氣液分界面上的參數(shù)用下標“ j ”表示。(1 氣 液分界面上的流動速度。實際上,在氣液分界面上相間沒有滑移,即當?shù)氐木植繗庀嗨俣鹊扔谝合嗨俣萭j lj j v v v =(2 氣 液分界面上的切向應力。根據(jù)作用與反作用定律,氣液在分界面上相互作用的切向應力應大于相等方向方向相反。圖中的j 是氣核作用在液環(huán)上的切向應力,圖中未標出液環(huán)作用于氣核上的切向應力 gj 。設 y 軸垂直于分界面,則該切向應力的數(shù) 量關系可表示為glgj lj gj lj v v yyµµ=(3 氣 液分界面上的質量,動量,熱量交換。當有相變時,圖

42、1111所示微管段中的液體蒸發(fā)的質量流量為 mg q , 氣體增加的質 量流量為 ml q ,故mg ml q q =或它們的微分mg ml dq dq =當液體蒸發(fā)成氣體時,在分界面上氣,液的法向速度的大小分別為11, mgnn mlgj lj g jl j q q v v l l= 式中 j 為氣核的濕周。自上式得n n g gj l lj v v =通常相變是由換熱引起的,如果熱流密度為 ,則 lg 1lj gj mllg j T T q q h y ly =式中 l , g 分別為液體,氣體的熱導率 W m K i , lg h 為蒸發(fā)潛熱 ( J 。 在討論氣液兩相流時,一般不考慮它

43、們沿分界面法向的溫度梯度,于 是上式簡化為lg1mlj q q h l =(4 氣 液分界面兩側的壓強差。如果氣液分界面是曲面,兩側的壓強差應按式(1 22計算。如果是球形曲面,則兩側的壓強差2p =當液體蒸發(fā)時,由式(11 48可知,由于液相的密度比氣相的密度 大得多,氣相的法向速度將比液相的法向速度大得多,這樣形成的動 量變化必然沿分界面法向方向形成對液體的反作用力,單位面積上的 這種力稱為附加壓強 n j p ,由動量方程式(3 32 可得22lg 11111( ( ( (1g n n n ml ml j gj lj j j g l g lq q qp v v l l h =氣液曲分界面

44、兩側的壓強應是上述曲面兩側的壓強與此附加壓強的 代數(shù)和。由于此附加壓強非常小,一般都不考慮;對于較大曲率半徑 的氣液分界面,工程上一般也不考慮其兩側的壓強差,認為壓強是連 續(xù)的;平氣液分界面的壓強是連續(xù)的。 2. 連續(xù)方程氣相:將質量守恒定律應用于氣核的流動,有( 0g g g g g g mg v A v A l v A q l+=上式同除以 l ,并取 l 0 時的極限,得(0g g mg d v A dq dldl=液相:同理,對于液環(huán)有(1 (1 (1 0l l l l l l ml v A v A l v A q l+=上式同除以 l ,并取 l 0 時的極限,得(1 0l l ml

45、d v A dq dl dl=無相變,式(11 51 , (11 52的第二項均為零。合并以上二式, 得兩相混合物的連續(xù)方程(1 0g g l l d v A d v A dldl+=對于截面不變的直管道,上式簡化為( (10g g l l d v d v dldl+= 3. 動量方程氣相:將動量方程式(332應用于氣核的流動,有( ( sin 1( ( ( (2g mg mg g mg g mg l g gj j v q q v l q v q v g A l lpA p A p A p l l p l A l lll l l +=+式中, j 為氣核的平均濕周。略去上式中高于一階的小量,同

46、除以A l ,并取 l 0時的極限,得sin gj j mg g g mg mg l g q dv v dq dq v dpg dl A A dl A dl A dl=+ 液相:同理,對于液環(huán)有( ( (1 sin 1(1 (1 ( ( 2(1 (1 (1 (1sin lml ml l ml l ml l g w lj j lj j w ml l l v q q v l q v q v g A l lpA p p A p l l p l ll l A A l l llq dv dpg dl A A A dl +=+×+=+若無相變,式(1154右端的最后二項和式(1155右 端的最后

47、一項均為零。合并以上二式,根據(jù)式(1146a得兩相混合物的動量方程1(1sin ( w g l mg g ml l dp dg q v q v dl A dl A=+ 由于222(1 (1 (1 mgmg ml mg g ml l mgml g l g l q q q q v q v q q A A A +=+=+代入上式,得2222222(1 (1sin (1 (1 112(1 1g l g l fl g l l dp d g G dl dl dA G C A dl d =+一般情況,氣液兩相流的截面含氣率可表示為(, (p p d d dp dl dl p dl=+ 故將式(1156右端第

48、二項中的第一個導數(shù)展開,得222222222222(1 22(1 (1 ( (1 (1 (1 (1 1(1 1( ( (1 (1 p g l g l g l g l g l d d d dl dl dl dp dpp dl p p dl+=+代入式(1156 ,經(jīng)整理得2222222222222222222(1(1sin (1(1 ( ( (1 (1 12(1 11(1 1(1 1( ( (1 (1 g l g l p g l fl g l l g l g l dp g G dl d dl G dA G C A dl d G p p =+×+×+1p如果壓降梯度不大,截面含

49、氣率不隨壓強變化,上式簡化為222222222222122(1 (1sin (1 (1 (1 1( ( (1 (1 11(1 12(1(1(1 g l g l g l g l fll g ldp d g G dl dld dA dl A dlG C G d p p =+×+如果兩相流的密度也不隨壓強變化,上式簡化為22222222222(1 (1sin (1 (1 (1 1( (1 (1 12(1g l g l g l g l fll dp d g G dl dld dA dl A dlG C d =+如果又是截面不變的直管道,上式簡化為222222222(1 (1sin (1 (1

50、 1(2(1 1g l g l flg l l dp d g G dl dld G C dl d =+氣液分相流動的總壓降梯度等于它的重力壓降梯度,加速壓降梯 度和摩擦壓降梯度之和,但其重力壓降梯度,加速壓降梯度和摩擦壓 降梯度的計算式與氣液均相流的不同,這里增加了一個截面含氣率變 量。 4. 能量方程氣相:將能量方程式(3 40應用于氣核的流動,有2222. ( 22(sin (222( ( 2g g g g g g g g g g l g g g l mg g g g j g g gj j j g v v u v A u v A l l v v v l u v A u q g A l v l pv A v lpv A pv A l l v Q l l +=+上式右端第四項為氣液交界面上的摩擦功率, .g Q 為對氣核的換熱率。 略去上式中高于一階的小量,同除以 l ,并取 l 0時的極限,得2.20(sin (2( lim2g g g g g g g mgg l l gj j j l d pv A v dg A v u v A dldl dq Q v u v