第三章--多相流及其測量方法.ppt

1、1.第三章：多相流及其測量方法。1.理解多相流的概念。2.熟悉工業(yè)上常見的兩相和多相流的分類和特性。3.了解多相流的基本特征參數(shù)。4.熟悉水平管道中兩相流的主要流型。5.了解兩相流主要參數(shù)的測量方法。主要內容如下：2 .物理學：自然界的物理狀態(tài)，如固體、液體和氣體；熱力學：物體的每個均勻部分都可以有固相、液相和氣相，它們統(tǒng)稱為單相物體；動力學：一組具有相似動力學性質的物體，其中一種狀態(tài)可以是單相或多相，通常是指具有相同組成和物理化學性質的均勻材料部分，也應該是單一物質狀態(tài)，如固體、液體和氣體。氣體或液體在各部分的均勻流動可稱為單相流；在多相流的研究中，通常稱之為固相、液相和氣相。一般來說，相之

2、間有明顯可分離的界面。多相流是指一種特殊的流動問題，它必須考慮兩相共存且有明顯流動界面的混合流的動力學關系。3.1多相流的概念，1。階段概念，2。多相流、單相流和多相流的介紹：在物理學中，物質有四種狀態(tài)或四個相：固體、液體、氣體和等離子體。如果不考慮電磁特性，等離子體相也可以并入氣相。單相流：單相物質的流動稱為單相流，兩種均勻混合的氣體或液體的流動也屬于單相流。多相流：同時具有兩相或多相的物質的混合流是兩相或多相流。在多相流動力學中，所謂的相不僅通過物質的狀態(tài)來區(qū)分，而且通過它們的化學成分、尺寸和形狀來區(qū)分，即具有不同化學成分、尺寸和形狀的物質可以屬于不同的相。在兩相流的研究中，物質被分為連續(xù)

3、介質和離散介質。連續(xù)相或流體相：氣體和液體屬于連續(xù)介質分散相或顆粒相；固體顆粒、液滴和氣泡屬于離散介質。由流體相和顆粒相組成的流動稱為兩相流。顆粒相可以是具有不同狀態(tài)、不同化學成分、不同尺寸或不同形狀的顆粒。有時，這種兩相流被稱為多相流。3.1多相流及其特性簡介，兩相流可以是同向的“同向流”，也可以是反向的“逆向流”，以及兩種流之間的流動，如氣液兩相流，其中液相的平均速度為零或液相的平均速度垂直于氣相的速度。4、3.2常見多相流的分類和特征，1、常見兩相和多相流，(1)氣液兩相流；(2)氣固兩相流；(3)液固兩相流；(4)液-液兩相流；(5)氣-液-液、氣-液-固和液-液-固多相流。(1)氣液

4、兩相流氣體和液體物質混合在一起流動，稱為氣液兩相流。分為單一組分(如水-蒸汽-蒸汽-液體兩相流):蒸汽和液體具有相同的化學組成，蒸汽-液體兩相流會隨著壓力和溫度的變化而發(fā)生相變，即部分液體會汽化成蒸汽或部分蒸汽冷凝成液體；雙組分化學組成(如空氣-水-氣-液兩相流):兩相具有不同的化學組成，氣-液兩相流在流動過程中一般不發(fā)生相變。根據(jù)不同傳熱條件，可分為不與外界進行熱交換如加熱或冷卻的絕熱多相流或進行熱交換的多相流。3.2常見多相流的分類和特征，6，第1章，(2)氣固兩相流稱為氣固兩相流。氣固兩相流在自然界和工業(yè)過程中隨處可見：空氣中夾帶的灰粒和灰塵、沙漠沙、飛雪、冰雹、氣力輸送、氣流干燥、煤粉

5、燃燒、石油催化裂化、礦物流化焙燒、氣力浮選、流態(tài)化等工藝或技術廣泛然而，當流體中存在大量的小固體顆粒時，如果流體的流速足夠大，這些固體顆粒的特性與普通流體的特性相似，也就是說，這些固體顆?？梢员徽J為是假流體，在適當?shù)臈l件下可以被視為流體流。在流體力學中，雖然流體分子之間有間隙，但人們總是把流體看作是一種連續(xù)的介質，它充滿整個空間，沒有間隙。由于兩相流的研究不是單個粒子的運動特性，而是大量粒子的統(tǒng)計平均特性，雖然粒子的數(shù)密度(每單位體積混合物的粒子數(shù))遠遠小于每單位體積的流體分子數(shù)(在標準狀態(tài)下，每立方厘米體積的氣體分子數(shù)為2.71019)，當存在許多懸浮粒子時，人們仍然可以假設分散在流體中的粒

6、子是填充整個空間而沒有間隙的流體。3.2常見多相流的分類和特征；7.第一章引入偽流體假設后，氣固兩相流就像兩種流體混合物的流動一樣，可以用流體力學和熱力學的方法求解，從而大大簡化了兩相流的研究。然而，偽流體不是真實的流體，粒子和氣體分子之間、兩相流和連續(xù)介質流之間有許多區(qū)別。因此，在使用擬流體假設時應特別注意適用條件：(1)氣體分子與懸浮粒子的主要區(qū)別在于氣體分子之間的強相互作用和粒子之間的弱相互作用；(2)氣體的體積，它的溫度；當v，它的t時，懸浮在氣體中的粒子只能在氣體粘滯力的作用下運動，但粒子t不隨粒子v而變化；(3)氣體分子的熱運動可以產生壓力，但粒子布朗運動產生的壓力很小。(4)氣體

7、中的擾動通過壓力波(分子間相互作用)傳播，而粒子中的擾動只能沿著粒子軌跡傳播；(5)氣體可以膨脹和壓縮，其比熱可分為恒壓比熱和定容比熱，但固體顆粒只有一個比熱；在處理顆粒相的運動時，有些方面認為它是流體，但其他方面必須考慮顆粒相本身的特性。3.2常見多相流的分類和特征，8。在第一章中，根據(jù)擬流體假設，顆粒相的密度可以定義為連續(xù)介質的密度：對于氣體，為了得到小于1%的統(tǒng)計平均波動，極限體積應該包含104個氣體分子。在標準狀態(tài)下，含有104個氣體分子的體積為0.1um3。在實際工程應用中，這個體積比氣體流動系統(tǒng)的特征尺寸小得多，所以這個體積可以看作一個點，所以氣體可以看作是一種連續(xù)介質。對于兩相流

8、，以懸浮在空氣中的煤粉顆粒為例，當氣固比為1時，含有104個顆粒的立方體的邊長與粒徑之比為102，當煤粉顆粒的直徑為100um時，立方體的邊長為1cm，遠遠大于標準狀態(tài)下的氣體極限體積。然而，如果流動系統(tǒng)的特征尺寸比這個尺寸大得多，則體積仍可被視為一個點，而粒子則視為一種連續(xù)介質。3.2常見多相流的分類和特征，9。在第一章中，在氣體動力學中，通常認為連續(xù)性假設僅在/S0.01(其中S是氣體分子的平均自由行程，S是流動系統(tǒng)的特征尺寸)時使用。在兩相流中，由于粒子的弱布朗運動，可以考慮L/S0.01，其中L是粒子質心之間的距離。例如，當煤粉通過管道輸送時，已知顆粒之間的距離為10-3m，因此嘗試尋

9、找偽流體假設成立的最小管道直徑。解決方案：以管徑作為流體系統(tǒng)的特征尺寸，擬流體假設的最小管徑為：D=1/0.01=10-3/0.01=0.1m，3.2常見多相流的分類和特征，10。第一章，固體顆粒的尺寸、形狀和分布是顆粒相的重要物理特征參數(shù)，顆粒的形狀和尺寸與顆粒的形成密切相關：破碎形成的顆?；颈３志w形狀；玻璃顆粒顆粒尺寸的統(tǒng)計分布：顆粒數(shù)分布密度根據(jù)顆粒尺寸，顆粒質量分布密度根據(jù)顆粒尺寸，顆粒相尺寸呈正態(tài)分布，顆粒相的平均尺寸表示為線性平均顆粒尺寸，表面積，體積表面積，平均顆粒尺寸，質量平均顆粒尺寸，3.2普通多相流的分類和特性，11，(3)液固兩相流，其中液體和固體顆粒在一些普通流中混

10、合，稱為液固兩相流。自然界和工業(yè)中的典型例子包括河流和海水攜帶的沉積物，水力輸送廣泛用于電力、化學工業(yè)、采礦、建筑和其他工業(yè)項目，以及泥漿流如紙漿、紙漿、泥漿和粘液?；痣姀S鍋爐水力排渣管道中水渣混合物的流動和污水處理排放管道的流動也屬于液固兩相流的范疇。(4)液-液兩相流兩種不混溶的液體混合在一起的流動稱為液-液兩相流。油田開發(fā)和地面運輸中的油水兩相流、分離和污水處理、化學工業(yè)中的乳狀液流、物質凈化和提取中的大量液-液混合流都是液-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為氣-液-固三相流；氣體和兩種不混溶的液體混合物的共同流動稱

11、為氣-液-液三相流動。兩種不混溶的液體和固體顆?；旌显谝黄鸬墓餐鲃臃Q為液-液-固三相流動。原油水、氣和砂粒三相以上的混合物在油田的油井和井口中流動，在石油加氫反應器、化學合成反應器和生化反應器中的漿態(tài)床和懸浮床中存在多相流，如氣-液-固流、液-固流、氣-液-液流等。3.2常見多相流的分類和特征，12.3。兩相流力學發(fā)展簡史，兩相流現(xiàn)象在自然界和生產實踐中無處不在。兩相流力學在20世紀60年代開始迅速發(fā)展，并在8090年代逐漸形成一個新的分支。然而，很久以前在生產和生活中就遇到了與兩相流有關的問題，并提出了各種解決方案，積累了大量的經驗。自18世紀中葉瓦特發(fā)明蒸汽機以來，由于缺乏對氣液兩相流動

12、和傳熱的認識，發(fā)生了許多工業(yè)事故，如早期一些蒸汽船和蒸汽機車的鍋爐爆炸，促使人們研究鍋爐中水的循環(huán)和傳熱。1877年，博姆西內系統(tǒng)地研究了明渠水流中泥沙的沉積和輸運。19世紀末20世紀初，一些論文討論了船用鍋爐水循環(huán)和傳熱的特點，也有一些論文討論了氣液兩相流體流動的脈動。1910年，馬洛克研究了聲波在泡沫液體中傳播的強度衰減。1920-1940年間，發(fā)表了關于鍋爐水循環(huán)中氣液兩相流不穩(wěn)定性和氣液兩相流的經典研究論文。然而，許多經驗和研究成果分散在各個生產部門，很少交流。20世紀40年代以后，我們有意識地總結了遇到的各種現(xiàn)象和規(guī)律，并從兩相流的統(tǒng)一觀點出發(fā)，對它們進行了系統(tǒng)的分析和研究?！皟上嗔?/p>

13、”一詞自1949年以來就出現(xiàn)在文獻中。3.2常見多相流的分類和特征。20世紀30年代和50年代以后，隨著電力工業(yè)中高溫、高壓和高參數(shù)的引入以及航空航天工業(yè)和商用核電廠的發(fā)展，大量關于氣液兩相流和傳熱的研究論文開始出現(xiàn)，關于兩相流邊界層、聲波在兩相混合介質中的傳播、空化理論、流化技術和噴嘴流動的研究論文也顯著增加。從1948年到1949年，IAckhart和Martinelli先后提出了計算氣液兩相流摩擦阻力的Lockhart-Martinelli參數(shù)和經驗方法。1954年，貝克提出了第一個氣液兩相流流型圖。1956年，英格博研究了pa的阻力系數(shù)之間的差異自20世紀60年代以來，越來越多的學者從

14、不同角度探索描述兩相流運動規(guī)律的基本方程。早期作品包括大理石(1963)、默里(1965)、潘頓(1968)等。自20世紀60年代以來，有關兩相流、傳熱和測量的專著相繼問世，如童(1965)、伊(1965)、蘇(1967)和伯格斯(1969)。沃利斯(1969年)、休伊特(1970年)、科利爾(1972年)、石井(1975年)、徐(1976年)、派(1977年)、巴特沃斯(1977年)、拉希(1977年)、休伊特(1978年)、魯丁格(1980年)、韋齊洛格魯(1980年)、貝格爾斯(1981年)、阿扎貝爾(1981年)、赫茨羅尼(1982年)、齊索姆(1983年)等。inter-I多相流也成

15、立于1974年，第一本多相系統(tǒng)手冊于1982年出版。20世紀80年代以來，國內先后出版了等(1981)、陳等(1985、1989、1991、1993、1995、1999)和林宗虎(1987、1988、1999)、方定西(1988)、周強泰(1990)、等(1991)、呂燕珊(1992)、劉3.2常見多相流的分類和特征，14.4兩相流的研究方法和理論模型。從理論上講，流體力學的基本方程可以應用于多相流。然而，在多相流中，應列出各相的守恒方程，并考慮兩相之間的相互作用。因此，描述多相流的方程比描述單相流的方程復雜得多。多相流的分析和研究要比單相流復雜和困難得多。目前，多相流的分析方法大多是單相流分

16、析方法的延伸。研究多相流有兩種觀點：將流體視為連續(xù)介質和顆粒(一般稱為氣泡、固體顆粒等)。)作為離散系統(tǒng)，并討論粒子動力學、粒子軌跡等。除了作為連續(xù)介質的流體之外，粒子群被認為是偽連續(xù)介質或偽流體，并且假設它在空間中具有連續(xù)的速度和溫度分布以及等效的輸運性質(粘度、擴散、熱傳導等)。)。應用理論模型：單流體模型、雙流體模型、分散粒子群軌跡模型等。研究多相流的方法：經驗關系分析法現(xiàn)象學方法，3.2常見多相流的分類和特征，15。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立經驗關系表達式：將工業(yè)試驗結果、半工業(yè)試驗結果或實驗室試驗結果組織成經驗關系表達式或圖表。實施步驟：收集測試或現(xiàn)場數(shù)據(jù)；建立系統(tǒng)變量的任意或半任意相關方程；使用任何常數(shù)或函數(shù)，使方程符合實際數(shù)據(jù)；根據(jù)得到的方程預測其他情況。工程設計中常用方法的優(yōu)點：計算簡單、快速，可能相當準確。缺點：它是有限的，只能在指定的范圍內使用，但不能外推。只有當設計對象和獲得關系表達式的條件相同時，才能獲得好的結果；經驗關系法不能揭示問題的物理本質，也不能得到改進設計的方向。隨著多相流體力學的發(fā)展，這種方法將被淘汰。例如，在氣液兩相沸騰傳熱中的一些