兩相流的流型和流型圖

1、第二章第二章 兩相流的流型和流型圖兩相流的流型和流型圖 本章主要內容本章主要內容 1.1.流型的定義、影響流型的因素流型的定義、影響流型的因素; ; 2.2.豎直上升絕熱管、豎直上升絕熱管、豎直下降絕熱管、豎直下降絕熱管、水平絕熱管水平絕熱管中存在的流型、特征及出現(xiàn)范圍中存在的流型、特征及出現(xiàn)范圍; ; 3.3.管內淹沒和流向反轉的產生及判別管內淹沒和流向反轉的產生及判別; ; 4. 4.流型的過渡及判別；流型的過渡及判別； 5.5.采用流型圖判別流型的方法。采用流型圖判別流型的方法。2.1 研究流型的意義研究流型的意義一一. .何謂兩相流的流型何謂兩相流的流型? ?單相流與兩相流的單相流與兩

2、相流的區(qū)別？區(qū)別？ 1.1.單相流流態(tài)分三種：層流，過渡流，湍流單相流流態(tài)分三種：層流，過渡流，湍流 2. 2.氣液兩相流體在流動過程中，兩相之間存在氣液兩相流體在流動過程中，兩相之間存在分界面，這就是兩相流區(qū)別于單相流的重要特分界面，這就是兩相流區(qū)別于單相流的重要特征。征。 3.3.兩相流中相間界面的形狀和分布狀況，就構兩相流中相間界面的形狀和分布狀況，就構成了不同的兩相流流型。成了不同的兩相流流型。 三三. .影響流型的因素影響流型的因素 1.x,P,G; 1.x,P,G; 2. 2.是否受熱（非絕熱）；是否受熱（非絕熱）； 3. 3.流動方向；流動方向； 4. 4.流道結構。流道結構。

3、1.1.流型影響流體的換熱特性；流型影響流體的換熱特性； 2.2.流型影響壓降特性；流型影響壓降特性； 3.3.流動不穩(wěn)定性與流型有關；流動不穩(wěn)定性與流型有關； 4.4.建立流動模型與流型密切相關。建立流動模型與流型密切相關。二二. .研究流型的意義研究流型的意義2.2 垂直上升管中的流型垂直上升管中的流型泡狀流泡狀流一一. . 垂直上升不加熱直圓管垂直上升不加熱直圓管1.1.泡狀流泡狀流(1)(1)特征：特征： 1)1)液相連續(xù)，氣相不連續(xù)；液相連續(xù)，氣相不連續(xù)； 2) 2)氣泡多數(shù)呈球形；氣泡多數(shù)呈球形； 3) 3)管子中心氣泡密度大，有趨中效應。管子中心氣泡密度大，有趨中效應。(2)(2

4、)出現(xiàn)范圍：出現(xiàn)范圍： 主要出現(xiàn)在低主要出現(xiàn)在低x區(qū)，在中低壓情況下，出區(qū)，在中低壓情況下，出現(xiàn)在現(xiàn)在 ； 高壓情況下，高壓情況下， 較大仍為泡狀流，較大仍為泡狀流，3 . 0P2.2.彈狀流彈狀流(1)(1)特征特征 1)1)大氣泡與大液塊交替出現(xiàn)，頭部呈球大氣泡與大液塊交替出現(xiàn)，頭部呈球形，尾部扁平，形如炮彈；形，尾部扁平，形如炮彈； 2)2)氣彈間液塊向上流動，夾有小氣泡；氣彈間液塊向上流動，夾有小氣泡； 3)3)氣彈與管壁間液層緩慢向下流動。氣彈與管壁間液層緩慢向下流動。(2)(2)出現(xiàn)范圍出現(xiàn)范圍 1)1)低壓、低流速低壓、低流速, , ，低壓時氣泡長，低壓時氣泡長度可達度可達1m1

5、m以上；以上； 2) ,2) ,不能形成大氣泡，當不能形成大氣泡，當P10MPaP10MPa時，彈狀流消失；時，彈狀流消失； 3)3)出現(xiàn)在泡出現(xiàn)在泡- -環(huán)過渡區(qū)。環(huán)過渡區(qū)。3 .0P彈狀流彈狀流3.3.乳沫狀流乳沫狀流( (攪混流）攪混流）(1)(1)特征特征 1)1)破碎的氣泡形狀不規(guī)則，有破碎的氣泡形狀不規(guī)則，有許多小氣泡夾雜在液相中；許多小氣泡夾雜在液相中； 2)2)貼壁液膜發(fā)生上下交替運動，貼壁液膜發(fā)生上下交替運動，從而使得流動具有震蕩性。從而使得流動具有震蕩性。(2)(2)出現(xiàn)范圍出現(xiàn)范圍 它是一種過渡流，一般出現(xiàn)在它是一種過渡流，一般出現(xiàn)在大口徑管中，小口徑的管中觀察不大口徑管

6、中，小口徑的管中觀察不到。到。乳沫狀流乳沫狀流4.4.環(huán)狀流環(huán)狀流(1)(1)特征特征 1)1)貼壁液膜呈環(huán)形向上流動；貼壁液膜呈環(huán)形向上流動； 2)2)管子中部為夾帶水滴的氣柱；管子中部為夾帶水滴的氣柱； 3)3)液膜和氣流核心之間存在波動界面。液膜和氣流核心之間存在波動界面。(2)(2)出現(xiàn)范圍出現(xiàn)范圍 1)1)在在PPP Pcrcr，0 x10 x10MpaP10Mpa，彈狀流消失，流型，彈狀流消失，流型直接從泡狀流向環(huán)狀流轉變。直接從泡狀流向環(huán)狀流轉變。 (2)(2)絕熱管中不會出現(xiàn)霧狀流。絕熱管中不會出現(xiàn)霧狀流。二二. .垂直上升加熱直圓管中的流動型式垂直上升加熱直圓管中的流動型式

7、三三. .流型圖流型圖2fj 目前廣泛采用的流型圖均目前廣泛采用的流型圖均為二元的，其坐標為流動參為二元的，其坐標為流動參數(shù)或組合參數(shù)。數(shù)或組合參數(shù)。 選用右圖流型圖注意選用右圖流型圖注意1. 實驗條件實驗條件D Di i=31.2mm; P=0.14-0.54MPa=31.2mm; P=0.14-0.54MPa,流動工質是空氣和水。流動工質是空氣和水。2. 該圖和應用該圖和應用P=3.45-6.9MPaP=3.45-6.9MPa,汽水混合物在汽水混合物在D Di i=121.7mm=121.7mm管管子中得到的實驗數(shù)據(jù)符合良子中得到的實驗數(shù)據(jù)符合良好。好。2gj 3.3.坐標參數(shù)坐標參數(shù)橫坐

8、標：分液相動壓頭橫坐標：分液相動壓頭 縱坐標：縱坐標：分氣相動壓頭分氣相動壓頭222)1 (Gxjf 222xGjg2.32.3垂直下降管中的氣液兩相流流垂直下降管中的氣液兩相流流型及其流型圖型及其流型圖 1.泡狀流泡狀流 2.彈狀流彈狀流 3.下降液膜流下降液膜流 4.帶氣泡的帶氣泡的 5.塊狀流塊狀流 6.霧式環(huán)狀流霧式環(huán)狀流 下降液膜流下降液膜流一一. . 流型的分類流型的分類1.1.泡狀流泡狀流特征特征: : 1)1)氣泡集中在管子中心部分氣泡集中在管子中心部分 2)2)氣泡尺寸更小，更接近于球形。氣泡尺寸更小，更接近于球形。2.2.彈狀流彈狀流 若若 ，則氣泡將聚集成氣彈。，則氣泡將

9、聚集成氣彈。特征：特征： 1)1)氣彈較長，尾部呈球形；氣彈較長，尾部呈球形； 2)2)下降流時貼壁面液膜向下流動，故比上升下降流時貼壁面液膜向下流動，故比上升流時穩(wěn)定。流時穩(wěn)定。xconstM,3.3.環(huán)狀流環(huán)狀流(1)(1)下降液膜流下降液膜流 當當 小時，有一層液膜沿管壁下流，核心部分小時，有一層液膜沿管壁下流，核心部分為氣相，液膜中無氣泡。為氣相，液膜中無氣泡。(2)(2)帶氣泡的下降液膜流帶氣泡的下降液膜流 當當 時，由于慣性的作用，氣相將進入液膜。時，由于慣性的作用，氣相將進入液膜。(3)(3)塊狀流塊狀流 當當 較高時，貼壁為液膜，由于氣相的卷吸較高時，貼壁為液膜，由于氣相的卷吸

10、作用，核心為霧狀氣柱。作用，核心為霧狀氣柱。(4)(4)霧式環(huán)狀流霧式環(huán)狀流 當當 較高時，貼壁為液膜，由于氣相的卷吸作用，較高時，貼壁為液膜，由于氣相的卷吸作用，核心為霧狀氣柱。核心為霧狀氣柱。MMM , MM,M 二二. .流型圖流型圖1.1.實驗條件實驗條件 空氣和多種液體混合物空氣和多種液體混合物, ,d di i=25.4mm,P=0.17MPa=25.4mm,P=0.17MPa2.2.坐標參數(shù)坐標參數(shù) 橫坐標橫坐標 縱坐標縱坐標gdjgdjjFrfg2225. 03wwwyVV 1一一. .水平不加熱管中的流動型式水平不加熱管中的流動型式 1. .泡狀流泡狀流 氣泡趨于管道上部，下

11、部較氣泡趨于管道上部，下部較少。其分布與流速關系很大。少。其分布與流速關系很大。液相流速增大，分布趨于均勻。液相流速增大，分布趨于均勻。2.2.塞狀流塞狀流 氣泡聚結長大而形成氣塞，氣泡聚結長大而形成氣塞，與垂直上升流中彈狀流相似。與垂直上升流中彈狀流相似。大氣塞后有小氣泡，由泡狀流大氣塞后有小氣泡，由泡狀流過渡而來。過渡而來。2.4 2.4 水平管中的流動型式水平管中的流動型式3. 3. 分層流分層流 (1)(1)出現(xiàn)在出現(xiàn)在 都比較小的情況；都比較小的情況； (2)(2)兩相完全分離，氣相在管道上方流動；兩相完全分離，氣相在管道上方流動； (3)(3)氣液之間有明顯的分界面。氣液之間有明顯

12、的分界面。4. 4. 波狀流波狀流 氣相流速足夠高時，由于氣相的作用，在界面上產生一氣相流速足夠高時，由于氣相的作用，在界面上產生一個擾動波，擾動波向前推進向波浪一樣，形成波狀流。個擾動波，擾動波向前推進向波浪一樣，形成波狀流。5. 5. 彈狀流彈狀流 在波狀流基礎上，隨著氣相流速的增加，會使這些擾動在波狀流基礎上，隨著氣相流速的增加，會使這些擾動波碰到流道的頂部表面，形成氣彈。波碰到流道的頂部表面，形成氣彈。6. 6. 環(huán)狀流環(huán)狀流 受重力作用，周向液膜厚度不均勻。受重力作用，周向液膜厚度不均勻。 出現(xiàn)在氣相流速較高、流量比較大，而液相流速較低時。出現(xiàn)在氣相流速較高、流量比較大，而液相流速較

13、低時。當壁面粗糙時，液膜可能不連續(xù)。當壁面粗糙時，液膜可能不連續(xù)。WW ,水平不加熱管中的流型圖片水平不加熱管中的流型圖片二二. .水平加熱管中的流動型式水平加熱管中的流動型式1.1.單相流單相流 2.2.泡狀流泡狀流 3.3.塞狀流塞狀流 4.4.彈狀流彈狀流 5.5.波狀流波狀流 6.6.環(huán)狀流環(huán)狀流流型演變與流型演變與P P、q q、W Wo o密切相關密切相關 P P：當：當P P很高時，塞狀流和彈狀流消失；很高時，塞狀流和彈狀流消失； q q：q q較大，環(huán)狀流所占范圍擴大；較大，環(huán)狀流所占范圍擴大； WoWo：WoWo高，慣性作用增強，可消除波狀狀流，流型不對稱高，慣性作用增強，可

14、消除波狀狀流，流型不對稱性減小，接近豎直管中的流型。性減小，接近豎直管中的流型。注意：注意：從工程角度，避免水平布置；當水平布置時，需要提高從工程角度，避免水平布置；當水平布置時，需要提高入口水的流速，使入口水的流速，使WoWo1m/s1m/s，可避免波狀流。，可避免波狀流。流型圖遵循四原則流型圖遵循四原則簡易性原簡易性原則則主導性原則主導性原則適用性原則適用性原則發(fā)展性原則發(fā)展性原則豎直不加熱管中的流型圖片豎直不加熱管中的流型圖片水平不加熱管中的流型圖片水平不加熱管中的流型圖片2.9 2.9 管內淹沒和流向反轉過程的流型管內淹沒和流向反轉過程的流型一一. .氣液兩相逆向流動的兩種極限現(xiàn)象氣液

15、兩相逆向流動的兩種極限現(xiàn)象 淹沒（液泛）、流向反轉（回流）淹沒（液泛）、流向反轉（回流）二二. .淹沒和流向反轉現(xiàn)象淹沒和流向反轉現(xiàn)象注水器注水器氣體氣體底桶底桶1.1.氣體流量由零開始增加氣體流量由零開始增加液體液體圖圖2-31 淹沒過程的壓降和流量變化淹沒過程的壓降和流量變化淹沒過程實驗現(xiàn)象淹沒過程實驗現(xiàn)象AB 液體流量一定，當氣體流量增加到某一點時，液體流量一定，當氣體流量增加到某一點時，環(huán)狀液膜表面出現(xiàn)較大的波浪，管段內壓差突然升環(huán)狀液膜表面出現(xiàn)較大的波浪，管段內壓差突然升高，注水器上部有水帶出，此點即為高，注水器上部有水帶出，此點即為淹沒開始點淹沒開始點。 出現(xiàn)的特征之一：出現(xiàn)的特征

16、之一：注水器以下管段中壓差突然注水器以下管段中壓差突然升高升高。 當繼續(xù)增加氣體流量，達到某一點時，氣體當繼續(xù)增加氣體流量，達到某一點時，氣體將全部液體帶出試驗段，此點稱為將全部液體帶出試驗段，此點稱為液體被全部攜液體被全部攜帶點。帶點。2 2. .氣體流量逐漸減少氣體流量逐漸減少 當氣體流量降到某一值時，當氣體流量降到某一值時，液膜開始回落到注水器以下，此液膜開始回落到注水器以下，此點稱為點稱為流向反轉點。流向反轉點。 在流向反轉點后繼續(xù)減少氣在流向反轉點后繼續(xù)減少氣體流量至某一值時，全部液體恢體流量至某一值時，全部液體恢復向下流動，這點稱為復向下流動，這點稱為淹沒消失淹沒消失點。點。 淹沒

17、消失點與淹沒開始點所淹沒消失點與淹沒開始點所對應的氣體流量不相等，淹沒消對應的氣體流量不相等，淹沒消失點所對應的氣體流量比淹沒開失點所對應的氣體流量比淹沒開始點對應的氣體流量小，這種現(xiàn)始點對應的氣體流量小，這種現(xiàn)象稱為象稱為淹沒消失滯后淹沒消失滯后。2. 2. 研究淹沒和流向反轉的重要性研究淹沒和流向反轉的重要性2. 2. 研究淹沒和流向反轉的重要性研究淹沒和流向反轉的重要性 1 1）反應堆出現(xiàn)破口事故時，安注系統(tǒng)的投入，需要）反應堆出現(xiàn)破口事故時，安注系統(tǒng)的投入，需要避開淹沒產生的條件，保證冷卻水進入堆芯，冷卻燃料棒；避開淹沒產生的條件，保證冷卻水進入堆芯，冷卻燃料棒； 2 2）破口事故時，

18、一回路循環(huán)工質將沿與蒸汽發(fā)生器）破口事故時，一回路循環(huán)工質將沿與蒸汽發(fā)生器底部相連的水平管流回反應堆，在自然循環(huán)作用下帶出堆底部相連的水平管流回反應堆，在自然循環(huán)作用下帶出堆芯熱量，此時會在水平管處產生氣液逆向流動，可能會發(fā)芯熱量，此時會在水平管處產生氣液逆向流動，可能會發(fā)生淹沒現(xiàn)象，因此對水平管內淹沒現(xiàn)象發(fā)生條件還需進生淹沒現(xiàn)象，因此對水平管內淹沒現(xiàn)象發(fā)生條件還需進一步的研究。一步的研究。 和和 反映了慣性力與重力的比值反映了慣性力與重力的比值3.3.淹沒和流向反轉過程的表達式淹沒和流向反轉過程的表達式引入兩個無量綱量引入兩個無量綱量1212ggjjgD1212ffjjgDgjfj1 1）發(fā)

19、生淹沒發(fā)生淹沒( (液阻液阻) )的條件的條件*gJm*0.7gJ 2 2）發(fā)生流向反轉的條件）發(fā)生流向反轉的條件3 3）液體被全部攜帶點判定條件）液體被全部攜帶點判定條件1122gfjm jC 式中，式中，m m和和c c是兩個常數(shù)，主要跟氣體的入口條件有關，可是兩個常數(shù)，主要跟氣體的入口條件有關，可由試驗來確定。一般情況下，由試驗來確定。一般情況下，m1,cm1,c1.(2)(2)低液相流速下，空泡份額低液相流速下，空泡份額 （Taitel等（等（19801980年）年）) ) 1. 1. 泡狀流泡狀流- -彈狀流的過渡彈狀流的過渡 (1)(1)氣泡的聚結機理氣泡的聚結機理. .氣泡在碰撞

20、聚結過程引起氣泡的長氣泡在碰撞聚結過程引起氣泡的長大，并最終使泡狀流過渡到彈狀流。確定過渡的關鍵使氣泡大，并最終使泡狀流過渡到彈狀流。確定過渡的關鍵使氣泡碰撞聚結的頻率。碰撞聚結的頻率。2.10 2.10 流型之間的過渡流型之間的過渡 53/11/74. 0 bdcf0.3 (3) (3)高液相流速下，液相紊流應力起著離散氣相，阻礙氣高液相流速下，液相紊流應力起著離散氣相，阻礙氣泡聚合的作用，當紊流應力作用大于氣泡受到的浮力時，將泡聚合的作用，當紊流應力作用大于氣泡受到的浮力時，將阻止泡狀流向彈狀流的轉變阻止泡狀流向彈狀流的轉變. . 2. 2. 水平管中分層流動的出現(xiàn)范圍水平管中分層流動的出

21、現(xiàn)范圍 (1)氣相速度高，使分層面出現(xiàn)波浪，形成彈狀流。消除氣相速度高，使分層面出現(xiàn)波浪，形成彈狀流。消除分層流動的蒸汽界限速度如下式表示：分層流動的蒸汽界限速度如下式表示： 75.05 .0 4 5 .0 138.0 xxdWj (2) (2)波的失穩(wěn)機理波的失穩(wěn)機理. . 波狀波狀分層流向間歇流之間的過渡是分層流向間歇流之間的過渡是由于氣相通過波形交界面的波峰處受到加速，產生局部壓力由于氣相通過波形交界面的波峰處受到加速，產生局部壓力降落，使峰部同時受到抽吸作降落，使峰部同時受到抽吸作用用，若抽吸力大于峰部重力效，若抽吸力大于峰部重力效應時，波峰便會擴大，產生流型的過渡。應時，波峰便會擴大

22、，產生流型的過渡。WallisWallis根據(jù)實驗數(shù)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)給出了彈狀流起始條件為：據(jù)給出了彈狀流起始條件為：2/3*21 gj3. 3. 彈狀流彈狀流- -乳沫狀流過渡乳沫狀流過渡(1)(1)淹沒機理淹沒機理 上升的氣流使平穩(wěn)的氣液界面遭到上升的氣流使平穩(wěn)的氣液界面遭到破壞，下降的液膜產生流向反轉從而破壞，下降的液膜產生流向反轉從而破壞了穩(wěn)定的彈狀流。這個機理最早破壞了穩(wěn)定的彈狀流。這個機理最早是由是由NicklinNicklin和和DavidsonDavidson提出的，可以提出的，可以采用淹沒關系式表達這一過渡。采用淹沒關系式表達這一過渡。 (2)(2)液柱失穩(wěn)機理液柱失穩(wěn)機理(Taitel) (3)(3)泰勒氣泡尾流影響機理泰勒氣泡尾流影響機理（Mishima &Ishii） 4.4.乳沫狀流乳沫狀流- -環(huán)狀流過渡環(huán)狀流過渡 乳沫狀流向環(huán)狀流