哈工大多相流體力學(xué)講義

1、多相流體力學(xué) 講義市政環(huán)境工程學(xué)院多相流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容及要求課程名稱:多相流體力學(xué)英文名稱:Multi-phase Fluid Mechanic學(xué) 分:2總 學(xué) 時(shí):36開課單位:市政環(huán)境工程學(xué)院 建筑熱能工程系授課對(duì)象:水力學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)專業(yè)研究生、供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)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(xué)、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)參考教材:(1 兩相與多相流體動(dòng)力學(xué) 郭烈錦 編著,西安交大出版 社 (2 兩相流體力學(xué) 孔瓏 主編,高等教育出版社; (3 兩相流體力學(xué) 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(xué)出版社;一、本課程的性質(zhì)、教

2、學(xué)目的及其在教學(xué)計(jì)劃中的地位與作用多相流體力學(xué)及其測(cè)量在動(dòng)力、化工、石油、制冷、宇航等一系列工程中均 得到重要應(yīng)用。多相流體力學(xué)是一門較為年輕的學(xué)科,是流體力學(xué)的一個(gè)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(nèi)或管外流動(dòng)時(shí)(有換熱的或無換熱的的流動(dòng)型態(tài)、流動(dòng)阻 力、流動(dòng)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(duì) 于這些流動(dòng)機(jī)理及多相流體測(cè)量技術(shù)均屬國際有關(guān)前沿課題,有廣闊的發(fā)展空間 和創(chuàng)新領(lǐng)域。對(duì)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(shí)用意義,并可 取得重要經(jīng)濟(jì)效益。本課程為水力學(xué)專業(yè)研究生的必修課、建筑環(huán)境與設(shè)備工

3、程專業(yè)重要的選修 課課之一,主要用于增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)理論水平,拓寬學(xué)生的知識(shí)面,了解本領(lǐng)域 的國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài),提高科技創(chuàng)新能力,訓(xùn)練學(xué)生利用所學(xué)理論解決實(shí)際工程實(shí) 際的能力和原始創(chuàng)新能力。作為流體力學(xué)的一個(gè)分支,本課程以經(jīng)典流體力學(xué)的基本原理為理論體系, 既有嚴(yán)密的理論分析,又有實(shí)驗(yàn)研究。充分體現(xiàn)了為工程服務(wù)的理論聯(lián)系實(shí)際的 工程流體力學(xué)類課程的基本性質(zhì)。通過本課程的學(xué)習(xí),可使學(xué)生掌握兩相共存時(shí)流體力學(xué)中基本理論、基本概 念,以及在土木工程領(lǐng)域的具體應(yīng)用以及表現(xiàn)形式;了解國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài);在多 相流領(lǐng)域?qū)で罂萍紕?chuàng)新點(diǎn)。二、本課程的主要內(nèi)容,各章節(jié)內(nèi)容及學(xué)時(shí)如下表:時(shí)數(shù) 教學(xué) ( 授 課 或 討 論

4、 內(nèi) 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(xué)的發(fā)展史1.3多相流的研究和處理方法1.4國內(nèi)多相流領(lǐng)域的最近研究課題 1.5多相流中的專用術(shù)語及常見參數(shù)4 第二章 多相流相場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變特性1、氣液兩相流流型及流型圖2、 流型轉(zhuǎn)變界限積機(jī)理4 第三章 兩相流的基本方程3. 1均相定常一維流動(dòng)基本方程 3.2分相一維定?；痉匠?.3解析模型基本方程(二流體模型 3.4兩相流的?；c準(zhǔn)則特性方程4 第四章 兩相流的壓降4.1 汽液兩相流動(dòng)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(yàn)方法4 第五章 氣液環(huán)狀流動(dòng)的解析分析 5.1 概述5.2 三角關(guān)系式及其簡(jiǎn)化 5. 3 摩擦壓降與空泡率的關(guān)系 5.4 液體夾帶5.3 摩擦壓降的計(jì)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(xué)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(xué)原理 3、實(shí)際物料固定床的厄貢公式 4 流化床的流體力學(xué)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(shí)顆粒群在直管中運(yùn)動(dòng)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(dòng)的測(cè)量技術(shù)與實(shí)踐 7.1汽液兩相流的測(cè)量7.2氣固兩相流的測(cè)量7.3多相流測(cè)量實(shí)踐4 針對(duì)課堂講授內(nèi)容的總結(jié),問題討論、教學(xué)效果探討及答疑備考 三、本課程的其他教學(xué)環(huán)節(jié)無。四、考核方式成績(jī)?yōu)榘俜种啤？荚噧?nèi)容基本覆蓋全部授課內(nèi)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(shí)考慮物質(zhì)兩相共存且具有明顯相界面的 混合物流動(dòng)力學(xué)關(guān)系

7、得特殊流動(dòng)問題。在不同的學(xué)科中,根據(jù)研究對(duì)象的不同特點(diǎn),對(duì)相各有特定的說 明。比如物理學(xué)中,單相物質(zhì)的流動(dòng)稱為單相流,兩種混合均勻的氣 體或液體的流動(dòng)也屬于單相流。同時(shí)存在兩種及兩種以上相態(tài)的物質(zhì) 混合體的流動(dòng)就是兩相或多相流。在多相流動(dòng)力學(xué)中,所謂的相不僅 按物質(zhì)的狀態(tài),而且按化學(xué)組成、尺寸和形狀等來區(qū)分,即不同的化 學(xué)組成、不同尺寸和不同形狀的物質(zhì)都可能歸屬不同的相。在兩相流 研究中,把物質(zhì)分為連續(xù)介質(zhì)和離散介質(zhì)。因?yàn)轭w粒相可以是不同物 態(tài)、不同化學(xué)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(dòng)力學(xué)中所研究的流動(dòng),而且把復(fù)雜的流動(dòng)概括為 兩相流動(dòng),使問題得到簡(jiǎn)化。此外

8、還有動(dòng)力學(xué)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(zhì)混合在一起共同流動(dòng)稱為氣液兩相流。它又可以 分單組分工質(zhì)如水水蒸氣的汽液兩相流和雙組分工質(zhì)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(xué)成分,后者則是兩相各有不同的化學(xué)成分。單組分的汽液兩相流在流動(dòng)時(shí)根據(jù)壓力和 溫度的變化會(huì)發(fā)生相變,即部分液體能汽化為蒸汽或部分蒸汽凝結(jié)成 液體;雙組分氣液兩相流則一般在流動(dòng)中不會(huì)發(fā)生相變。2. 氣固兩相流氣體和固體顆?；旌显谝黄鸸餐鲃?dòng)稱為氣固兩相流。嚴(yán)格的說,固體顆粒沒有流動(dòng)性,不能作流體處理。但當(dāng)流體中 存

9、在大量固體小粒子流時(shí),如果流體的流動(dòng)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(rèn)為這些固體顆粒為擬流體,在 適當(dāng)?shù)臈l件下當(dāng)作流體流動(dòng)來處理。引入擬流體假設(shè)后,氣固兩相流 動(dòng)就如同兩種流體混合物的流動(dòng),可以用流體力學(xué)、熱力學(xué)的方法來 處理問題,使兩相流的研究大為簡(jiǎn)化。又由于其假定的前提,使用擬 流體假設(shè)時(shí)要特別注意適用條件。處理顆粒相運(yùn)動(dòng)時(shí),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(diǎn)。 3. 液固兩相流液體和固體顆?；旌显谝黄鸸餐鲃?dòng)稱為液固兩相流。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(dòng)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(dòng)、物質(zhì)提純和萃取過程中大量的液液混合物流動(dòng)均是液液兩相流的 工程實(shí)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?dòng)稱氣液固三相流;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(dòng)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(dòng)稱為液液固三相流。1.2多相流體力學(xué)的發(fā)展史18世紀(jì)中葉瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)以來, 工業(yè)事故的時(shí)常發(fā)生促使人們 研究鍋爐內(nèi)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(yùn)。 19世紀(jì)末和

11、20世紀(jì)初, 已經(jīng)有相關(guān)論文的發(fā)表,有的甚至論及了氣液兩相流體流動(dòng)時(shí)發(fā)生的 脈動(dòng)問題。 1910年 Mallock 研究過聲波在泡沫液體中傳播時(shí)強(qiáng)度的衰 減。 19201940年間,發(fā)表了有關(guān)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(dòng)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(xiàn)。 50年代后, 隨著動(dòng)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(guān)氣液兩相流與傳熱的研究論文開 始出現(xiàn),有關(guān)兩相流邊界層、激波在兩相混合介質(zhì)中的傳播、空化理 論、流態(tài)化技術(shù)、噴管流動(dòng)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(jì)算的 Lokhart Matinelli 參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)方法到 1961年 Streeter 主編的 流體動(dòng)力學(xué)手冊(cè)用專門一節(jié)介紹兩相流。 20世紀(jì) 60年代后,越 來越多的學(xué)者從不同的家度探索了描述兩相流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本方程。 因此,兩相流體力學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)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(dòng)力學(xué)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(yàn)總 結(jié),都還依賴于經(jīng)驗(yàn)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(dòng)真正成為一門獨(dú)立成熟的科學(xué),還有很艱難很遙遠(yuǎn) 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(dòng)力學(xué)類似,研究?jī)上嗔鲉栴}的方法可以分為理論研 究和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫?。由于許多兩相流動(dòng)現(xiàn)象、機(jī)理和過程目前還不 甚清楚,許多工程設(shè)計(jì)都只能依靠大量觀察和測(cè)量建立起來的經(jīng)驗(yàn)關(guān) 系式,因此,實(shí)驗(yàn)研究與測(cè)量在兩相流領(lǐng)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(diǎn)。微觀分析法就是從分子運(yùn)動(dòng)論出發(fā), 利用 Boltzman 方程和統(tǒng)計(jì)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(dòng)問題上有許多概念上的優(yōu)點(diǎn),可以比宏觀的連續(xù)介質(zhì)理 論給我們更多的知識(shí),但由于物理上和數(shù)學(xué)上的許多困難,目前還不 能使用分子運(yùn)動(dòng)論來處理任何實(shí)際流動(dòng)問題

14、。宏觀分析法就是以連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為基礎(chǔ),將兩相流中各相都視為 連續(xù)介質(zhì)流體,根據(jù)每一相的質(zhì)量、動(dòng)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(diǎn)分析兩相流的方法又可以分為 3類。1. 擴(kuò)散模型法即假定相互擴(kuò)散作用是連續(xù)進(jìn)行,其基本觀點(diǎn)是:(1 兩 相流混合物體中的每一點(diǎn)都同時(shí)被兩相所占據(jù);(2 混 合物的熱力學(xué)和輸運(yùn)特性取決于各相的特性和濃度;(3 各 相以自己的質(zhì)量速度中心移動(dòng),相間相互擴(kuò)散作用反映在 模型內(nèi)。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(jìn)行描述,基本方法是:(1 認(rèn) 為流動(dòng)是一維的;(

15、2 對(duì) 一個(gè)有限容積寫出質(zhì)量、動(dòng)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(dú)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(jìn)行描述,類似低通 濾波的方法。上訴 3種方法的共同點(diǎn)就是不考慮局部的和瞬時(shí)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(dòng)力學(xué)。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(nèi)或管外流動(dòng)時(shí)(有換熱的或無換熱的的流動(dòng)型態(tài)、流 動(dòng)阻力、流動(dòng)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(duì)于這些流動(dòng)機(jī)理及多相流體測(cè)量技術(shù)均屬國際有關(guān)前 沿課題,有廣闊的發(fā)展空間和創(chuàng)新領(lǐng)域。對(duì)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(shí)用意義,并可取得重要經(jīng)濟(jì)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(xué)科領(lǐng)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(jì)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(nèi)外 6本著作,被引用數(shù)十次。他首先對(duì)U型管內(nèi)兩相流體壓力降型脈動(dòng) 機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究 , 創(chuàng)建其 計(jì)算程序和脈動(dòng)判別法并解決過電站鍋爐 嚴(yán)重脈動(dòng)問題。他創(chuàng)建了 3種兩相摩阻計(jì)算法和一種截面含汽率計(jì)算 式并被廣泛應(yīng)用。在沸騰傳熱方面:創(chuàng)立了國際上第一個(gè)脈動(dòng)流動(dòng)時(shí) 的沸騰傳熱計(jì)算式,可用于光管

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

18、技術(shù)在環(huán)保工程中的應(yīng)用5. 多相流體動(dòng)力學(xué)及其數(shù)值計(jì)算 (熱能動(dòng)力工程、石油、化工、冶 金工程、環(huán)境工程以及生命血液流動(dòng)等應(yīng)用領(lǐng)域 6. 多相流測(cè)試技術(shù)及熱工儀表開發(fā)7. .CO2的流動(dòng)和相變換熱;超臨界 CO2萃取技術(shù)近年來,兩相流領(lǐng)域國家自然基金資助情況:2002年資助項(xiàng)目: 2004年資助項(xiàng)目: 2005年,項(xiàng)目 2006年,項(xiàng)目 1.5多相流中的專用術(shù)語及常見參數(shù)質(zhì)量流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過通道總流通截面積的流體質(zhì)量,用 W 表示。兩相流總的質(zhì)量流量是各相質(zhì)量流量之和。質(zhì)量流速是單位流通截面積上的質(zhì)量流量,用 G 表示。容積流量是指單位時(shí)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(dú)流過整個(gè)通道 截面積時(shí)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?cè)莘e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(shí)流速 : 各相容積流量除以流動(dòng)中各相各自所占流通截面 積即為各相的真實(shí)流速。真實(shí)相含率或截面相含率 : 某相的流動(dòng)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(shí)相含率或截面相 含率。對(duì)氣液兩相流,氣相的真實(shí)相含率又稱為截面含氣率、真實(shí)含 氣率或空隙率。兩相流中各相真實(shí)速度的比值稱為滑動(dòng)

20、比?；扑俣仁侵竷上嗔鞲飨嗾鎸?shí)速度的差。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(dāng)滑動(dòng)比 S=1時(shí)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(xiàng),消去分母項(xiàng) 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(dòng)密度和真實(shí)密度流動(dòng)密度:指單位時(shí)間內(nèi)流過界面的兩相混合物的質(zhì)量與容積之 比。教材 (4 P7加權(quán)參數(shù):為了計(jì)算方便和進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬和,常對(duì)兩相流的真 實(shí)參數(shù)進(jìn)行權(quán)重因子的加權(quán);后面,根據(jù)需要可隨時(shí)提出這類加權(quán)參 數(shù):例如粘度: 11g lu uµ=+;導(dǎo)熱系數(shù):(1 g l k k k =+教材 (4 P2實(shí)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(guān)系第二章 多相流相場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)2.1概述多相流最為顯著的特征就是在時(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的多值性和轉(zhuǎn) 變過程的不可逆性。兩種及兩種以上不同相的物質(zhì)共存和運(yùn)動(dòng)所 造成的系統(tǒng)內(nèi)部不同區(qū)域各相的份額、流動(dòng)參數(shù)等均存在差異, 即使是穩(wěn)態(tài)流動(dòng),系統(tǒng)內(nèi)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(shí)空尺度上的不均勻性。 由于多相介質(zhì)的共 存和相界面的多變,多相流的宏觀結(jié)構(gòu)即流型也呈現(xiàn)多種狀態(tài)。 相應(yīng)于不同的流型,即便系統(tǒng)運(yùn)行的宏觀參數(shù)相同,多相流場(chǎng)中 狀態(tài)及流動(dòng)參數(shù)的分布與取值也不會(huì)相同,表現(xiàn)出一種流動(dòng)結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)內(nèi)分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所造成的界面變形的隨機(jī)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(zhuǎn)變等都屬于能量耗散過程,這種耗 散結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化是不可逆的熵增過程。對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)而言,時(shí)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(chǎng)中相速度和 相含率的分布、相界面宏觀結(jié)構(gòu)即流型的多種形式及其相互轉(zhuǎn) 變。下面我們就相速度和相含率的分布、流型及其轉(zhuǎn)變的基本規(guī) 律以及研究方法作一簡(jiǎn)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(duì)流場(chǎng)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(chǎng)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(qiáng)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(nèi)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(shè)流動(dòng)是局部均勻的,那么上述針對(duì)單相流的方法同樣也 適用于兩相或多相流動(dòng)。所謂積分分析法,就是先假設(shè)流場(chǎng)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(shí)使它們滿足動(dòng)力學(xué)條件和 幾何條件要求。例如對(duì)圓管內(nèi)的氣液兩相流, Bankoff 變密度模型即是以局 部均勻流動(dòng)及沒有相對(duì)速度的假設(shè)為基礎(chǔ),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(dāng)?shù)睾呗手? y是離壁面的距離, 0r 是管道半徑。等效單相流動(dòng)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(yīng)力定義知21w fw C u = 2.3 流型及其轉(zhuǎn)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(xì)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(xì)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(dāng)管內(nèi)氣速增大時(shí),氣彈發(fā)生分裂性成塊狀流型。此時(shí)大小 不

25、一的塊狀氣體在液流中以混亂狀態(tài)流動(dòng)。(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(xì)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(xì)小液滴的氣體。環(huán)狀流型都發(fā)生在較高氣體流速 時(shí)。2. 垂直下降管中的氣液兩相流流型及其流型圖(1細(xì)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(dòng)時(shí)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(dòng)的傾向造成 的

26、。(1細(xì)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(nèi)向下流動(dòng)的流型及其轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著螺旋曲率直徑比 D/d的減小,分散泡狀 流轉(zhuǎn)變發(fā)生在較低液速下,低氣速下分散泡狀流轉(zhuǎn)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(nèi)氣液兩相更趨分離。5. 臥式螺旋管內(nèi)流型及其轉(zhuǎn)變特性(1水 /空氣兩相流試驗(yàn)結(jié)果與分析1 流型的分類與定義A. 全管圈整體觀察結(jié)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(dòng),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(dāng)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(dòng),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(dòng),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(cè)流動(dòng),氣相則在管內(nèi)側(cè) 流動(dòng)。B. 局部區(qū)段流型觀察結(jié)果a1010區(qū)段在該區(qū)段全流量范圍內(nèi)管內(nèi)底層都始終保持一層液 體,液層表面存在較大波動(dòng),隨著全管圈宏觀流型向連續(xù)的 間歇狀流動(dòng)轉(zhuǎn)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(nèi)出現(xiàn)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)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(nèi)管壁周圍始終有液體保護(hù),氣液兩相 出現(xiàn)泡狀流動(dòng)、彈、混塊狀流動(dòng)、環(huán)狀流動(dòng) 3種基本流型,泡狀流動(dòng)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(dòng)、分散泡狀流動(dòng) 和環(huán)狀流動(dòng) 3種基本流型。 波狀分層流中又可對(duì)應(yīng)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(nèi)流動(dòng)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(zhuǎn)變特性試驗(yàn)結(jié)果與分析3種管圈流型圖都可分為 4個(gè)區(qū)域, 存在 3條轉(zhuǎn)變線, 它們是 不穩(wěn)定停滯脈動(dòng)流間歇狀流分散泡狀流轉(zhuǎn)變和間歇狀流 環(huán)狀流轉(zhuǎn)變。(2水 /水蒸氣中、高壓兩相流試驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)變特性試驗(yàn)結(jié)果與分析1. 轉(zhuǎn)變界限的無量綱表述Taitel 等應(yīng)用了一系列無因此參數(shù)來確定水平管中各種流型的轉(zhuǎn)換界限。無因此液位高度為 ll h h D=液相的無因此當(dāng)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(zhuǎn)變機(jī)理 1 環(huán)狀流簡(jiǎn)述。氣液兩相環(huán)狀流是蒸發(fā)管內(nèi)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(zhuǎn)變機(jī)理,建立環(huán)狀 流的預(yù)報(bào)模型并預(yù)報(bào)其各種特性, 是兩相流領(lǐng)域內(nèi)很重要、 也是目前最熱門的一項(xiàng)工作。 B. 臥式螺旋管內(nèi)環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變臥式螺旋管內(nèi)的流動(dòng),沿管圈流動(dòng)時(shí),要經(jīng)歷由傾斜 上升到傾斜下降全周位的變化,流動(dòng)方向的連續(xù)改變,致 使作用在流體質(zhì)點(diǎn)上的體積力的大小、 方向及作用機(jī)制也 發(fā)生變化, 因此兩相流體在臥式螺旋管內(nèi)不同圓周角位置 處的流型特征及其轉(zhuǎn)變機(jī)理都存在著差異。 C. 臥式螺旋管內(nèi)環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變的機(jī)理 a 液膜失穩(wěn)條件b 自然阻塞準(zhǔn)則 c 夾帶和

31、沉積條件 d 液體粒子的橫向拋移機(jī)理 e 液膜破裂機(jī)理D. 環(huán)狀流轉(zhuǎn)變邊界的聯(lián)合準(zhǔn)則方程 其無量綱轉(zhuǎn)變準(zhǔn)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(zhuǎn)變A. 簡(jiǎn)述。泡狀流動(dòng)實(shí)際上有 2種類型:a 是主流液體流速很低, 其紊流強(qiáng)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(qiáng)度足夠的大, 紊流應(yīng)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(shí)紊流應(yīng)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(nèi)泡狀流轉(zhuǎn)變的機(jī)理與模型。通過對(duì)前人工作進(jìn)行的總結(jié)和實(shí)驗(yàn)觀察,作者認(rèn)為分散泡狀流動(dòng)的轉(zhuǎn)變機(jī)理在所有的傾斜位置基本一致,即紊流應(yīng)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(dòng)基本方程氣液均相混合物在變截面直管道中定常流動(dòng)。取長 l ,截面A A+( l的微管段,段中流體的受力,速度,壓強(qiáng)的變化。1. 連續(xù)方程將連續(xù)方程式(3 25a 應(yīng)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(duì)于截面不同不變得直管道,有(0d v dl= 0d dv v dl dl +=2. 動(dòng)量方程將動(dòng)量方程式(3 32應(yīng)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(nèi)流體的重量;w 為壁面平均切向應(yīng)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(shí)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(xiàng)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(zhì)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(dāng)壓降梯 度很大時(shí),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(shí),干度則是比焓和壓強(qiáng)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(hào)內(nèi)第一項(xiàng)的導(dǎo)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(dòng)在管道出口達(dá)到 Ma =1的臨界狀態(tài),該處管流的壓降梯度趨 于無限大,質(zhì)量流率等于它的最大值,流動(dòng)已經(jīng) 塞。如果壓降梯度 不大,干度不隨壓強(qiáng)變化,上式簡(jiǎn)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(qiáng)變化, 式 (11 36c 分母中的方括號(hào)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(jiǎn)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(yīng)用于該管流,并考慮在推導(dǎo)式(3 42時(shí) 對(duì)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(shí)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(xué) 已知,熱力學(xué)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(nèi)因粘性摩擦作功而轉(zhuǎn)化的熱量。這些熱量傳給流體,使流體 微團(tuán)的內(nèi)能增高, 同時(shí)使其體積膨脹而對(duì)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(xué)能的梯度,則總比熱力學(xué)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(dòng)量方程或能量方程去確定管內(nèi)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(dòng)是氣液兩相流中最為簡(jiǎn)單的流 動(dòng),它適用于質(zhì)量流率大,壓強(qiáng)高的泡狀流和霧狀流。這種流動(dòng)模型 曾在一些工業(yè)設(shè)備,諸如蒸汽發(fā)生器,石油,制冷設(shè)備等的設(shè)計(jì)中被 廣泛采用。3.2 分相一維定?；痉匠虉D 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(dòng),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(qiáng)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(dǎo)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(biāo)“ j ”表示。(1 氣 液分界面上的流動(dòng)速度。實(shí)際上,在氣液分界面上相間沒有滑移,即當(dāng)?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(yīng)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)力,圖中未標(biāo)出液環(huán)作用于氣核上的切向應(yīng)力 gj 。設(shè) y 軸垂直于分界面,則該切向應(yīng)力的數(shù) 量關(guān)系可表示為glgj lj gj lj v v yyµµ=(3 氣 液分界面上的質(zhì)量,動(dòng)量,熱量交換。當(dāng)有相變時(shí),圖

42、1111所示微管段中的液體蒸發(fā)的質(zhì)量流量為 mg q , 氣體增加的質(zhì) 量流量為 ml q ,故mg ml q q =或它們的微分mg ml dq dq =當(dāng)液體蒸發(fā)成氣體時(shí),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(dǎo)率 W m K i , lg h 為蒸發(fā)潛熱 ( J 。 在討論氣液兩相流時(shí),一般不考慮它

43、們沿分界面法向的溫度梯度,于 是上式簡(jiǎn)化為lg1mlj q q h l =(4 氣 液分界面兩側(cè)的壓強(qiáng)差。如果氣液分界面是曲面,兩側(cè)的壓強(qiáng)差應(yīng)按式(1 22計(jì)算。如果是球形曲面,則兩側(cè)的壓強(qiáng)差2p =當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí),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(dòng) 量變化必然沿分界面法向方向形成對(duì)液體的反作用力,單位面積上的 這種力稱為附加壓強(qiáng) n j p ,由動(dòng)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(cè)的壓強(qiáng)應(yīng)是上述曲面兩側(cè)的壓強(qiáng)與此附加壓強(qiáng)的 代數(shù)和。由于此附加壓強(qiáng)非常小,一般都不考慮;對(duì)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(cè)的壓強(qiáng)差,認(rèn)為壓強(qiáng)是連 續(xù)的;平氣液分界面的壓強(qiáng)是連續(xù)的。 2. 連續(xù)方程氣相:將質(zhì)量守恒定律應(yīng)用于氣核的流動(dòng),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(shí)的極限,得(0g g mg d v A dq dldl=液相:同理,對(duì)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(shí)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(xiàng)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(duì)于截面不變的直管道,上式簡(jiǎn)化為( (10g g l l d v d v dldl+= 3. 動(dòng)量方程氣相:將動(dòng)量方程式(332應(yīng)用于氣核的流動(dòng),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(shí)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(duì)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(xiàng)和式(1155右 端的最后

47、一項(xiàng)均為零。合并以上二式,根據(jù)式(1146a得兩相混合物的動(dòng)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(xiàng)中的第一個(gè)導(dǎo)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(qiáng)變化,上式簡(jiǎn)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(qiáng)變化,上式簡(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)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(jì)算式與氣液均相流的不同,這里增加了一個(gè)截面含氣率變 量。 4. 能量方程氣相:將能量方程式(3 40應(yīng)用于氣核的流動(dòng),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(xiàng)為氣液交界面上的摩擦功率, .g Q 為對(duì)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(shí)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