兩相流的流型和流型圖課題

其次章兩相流的流型和流型圖本章主要內(nèi)容1.流型的定義、影響流型的因素;2.豎直上升絕熱管、豎直下降絕熱管、水平絕熱管中存在的流型、特征及出現(xiàn)范圍;3.管內(nèi)沉沒和流向反轉(zhuǎn)的產(chǎn)生及判別;4.流型的過渡及判別；5.接受流型圖判別流型的方法。2.1探討流型的意義一.何謂兩相流的流型?單相流與兩相流的區(qū)分？1.單相流流態(tài)分三種：層流，過渡流，湍流2.氣液兩相流體在流淌過程中，兩相之間存在分界面，這就是兩相流區(qū)分于單相流的重要特征。3.兩相流中相間界面的形態(tài)和分布狀況，就構(gòu)成了不同的兩相流流型。三.影響流型的因素1.x,P,G;2.是否受熱（非絕熱）；3.流淌方向；4.流道結(jié)構(gòu)。1.流型影響流體的換熱特性；2.流型影響壓降特性；3.流淌不穩(wěn)定性與流型有關(guān)；4.建立流淌模型與流型親密相關(guān)。二.探討流型的意義2.2垂直上升管中的流型泡狀流一.垂直上升不加熱直圓管1.泡狀流(1)特征：1)液相連續(xù)，氣相不連續(xù)；2)氣泡多數(shù)呈球形；3)管子中心氣泡密度大，有趨中效應(yīng)。(2)出現(xiàn)范圍：主要出現(xiàn)在低x區(qū)，在中低壓狀況下，出現(xiàn)在；高壓狀況下，較大仍為泡狀流，2.彈狀流(1)特征1)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；2)氣彈間液塊向上流淌，夾有小氣泡；3)氣彈與管壁間液層緩慢向下流淌。(2)出現(xiàn)范圍1)低壓、低流速,，低壓時(shí)氣泡長(zhǎng)度可達(dá)1m以上；2),不能形成大氣泡，當(dāng)P>10MPa時(shí)，彈狀流消逝；3)出現(xiàn)在泡-環(huán)過渡區(qū)。彈狀流3.乳沫狀流(攪混流）(1)特征1)裂開的氣泡形態(tài)不規(guī)則，有很多小氣泡夾雜在液相中；2)貼壁液膜發(fā)生上下交替運(yùn)動(dòng)，從而使得流淌具有震蕩性。(2)出現(xiàn)范圍它是一種過渡流，一般出現(xiàn)在大口徑管中，小口徑的管中視察不到。乳沫狀流4.環(huán)狀流(1)特征1)貼壁液膜呈環(huán)形向上流淌；2)管子中部為夾帶水滴的氣柱；3)液膜和氣流核心之間存在波動(dòng)界面。(2)出現(xiàn)范圍1)在P<Pcr，0<x<1下都可能出現(xiàn)；2)發(fā)生在氣相流速較高時(shí)。5.細(xì)束環(huán)狀流當(dāng)液相流速較大時(shí)，氣柱中液滴量增多，使小液滴連成串，向上流淌。與環(huán)狀流不易區(qū)分。環(huán)狀流1.流型的演化在受熱管中，流型沿途發(fā)生變更，受熱管中可能同時(shí)存在幾種流型。2.留意兩個(gè)問題(1)流型的演化須要確定時(shí)間和距離；高q下：環(huán)狀流區(qū)域較大，流型演化時(shí)間較短；高P下：P>10Mpa，彈狀流消逝，流型干脆從泡狀流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變。(2)絕熱管中不會(huì)出現(xiàn)霧狀流。二.垂直上升加熱直圓管中的流淌型式三.流型圖目前廣泛接受的流型圖均為二元的，其坐標(biāo)為流淌參數(shù)或組合參數(shù)。選用右圖流型圖留意1.試驗(yàn)條件Di=31.2mm;P=0.14-0.54MPa,流淌工質(zhì)是空氣和水。2.該圖和應(yīng)用P=3.45-6.9MPa,汽水混合物在Di=121.7mm管子中得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好。3.坐標(biāo)參數(shù)橫坐標(biāo)：分液相動(dòng)壓頭

縱坐標(biāo)：分氣相動(dòng)壓頭2.3垂直下降管中的氣液兩相流流型及其流型圖

1.泡狀流2.彈狀流3.下降液膜流4.帶氣泡的5.塊狀流6.霧式環(huán)狀流下降液膜流一.流型的分類1.泡狀流特征:1)氣泡集中在管子中心部分2)氣泡尺寸更小，更接近于球形。2.彈狀流若，則氣泡將聚集成氣彈。特征：1)氣彈較長(zhǎng)，尾部呈球形；2)下降流時(shí)貼壁面液膜向下流淌，故比上升流時(shí)穩(wěn)定。3.環(huán)狀流(1)下降液膜流

當(dāng)小時(shí)，有一層液膜沿管壁下流，核心部分為氣相，液膜中無(wú)氣泡。(2)帶氣泡的下降液膜流

當(dāng)時(shí)，由于慣性的作用，氣相將進(jìn)入液膜。(3)塊狀流

當(dāng)較高時(shí)，貼壁為液膜，由于氣相的卷吸作用，核心為霧狀氣柱。(4)霧式環(huán)狀流

當(dāng)較高時(shí)，貼壁為液膜，由于氣相的卷吸作用，核心為霧狀氣柱。二.流型圖1.試驗(yàn)條件空氣和多種液體混合物,di=25.4mm,P=0.17MPa2.坐標(biāo)參數(shù)橫坐標(biāo)

縱坐標(biāo)一.水平不加熱管中的流淌型式1.泡狀流氣泡趨于管道上部，下部較少。其分布與流速關(guān)系很大。液相流速增大，分布趨于勻整。2.塞狀流氣泡聚結(jié)長(zhǎng)大而形成氣塞，與垂直上升流中彈狀流相像。大氣塞后有小氣泡，由泡狀流過渡而來(lái)。2.4水平管中的流淌型式3.分層流(1)出現(xiàn)在都比較小的狀況；(2)兩相完全分別，氣相在管道上方流淌；(3)氣液之間有明顯的分界面。4.波狀流氣相流速足夠高時(shí)，由于氣相的作用，在界面上產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)波，擾動(dòng)波向前推動(dòng)向波浪一樣，形成波狀流。5.彈狀流在波狀流基礎(chǔ)上，隨著氣相流速的增加，會(huì)使這些擾動(dòng)波遇到流道的頂部表面，形成氣彈。6.環(huán)狀流受重力作用，周向液膜厚度不勻整。出現(xiàn)在氣相流速較高、流量比較大，而液相流速較低時(shí)。當(dāng)壁面粗糙時(shí)，液膜可能不連續(xù)。水平不加熱管中的流型圖片二.水平加熱管中的流淌型式1.單相流2.泡狀流3.塞狀流4.彈狀流5.波狀流6.環(huán)狀流流型演化與P、q、Wo親密相關(guān)P：當(dāng)P很高時(shí)，塞狀流和彈狀流消逝；q：q較大，環(huán)狀流所占范圍擴(kuò)大；Wo：Wo高，慣性作用增加，可消退波狀狀流，流型不對(duì)稱性減小，接近豎直管中的流型。留意：從工程角度，避開水平布置；當(dāng)水平布置時(shí)，須要提高入口水的流速，使Wo>>1m/s，可避開波狀流。流型圖遵循四原則簡(jiǎn)易性原則主導(dǎo)性原則適用性原則發(fā)展性原則豎直不加熱管中的流型圖片水平不加熱管中的流型圖片2.9管內(nèi)沉沒和流向反轉(zhuǎn)過程的流型一.氣液兩相逆向流淌的兩種極限現(xiàn)象沉沒（液泛）、流向反轉(zhuǎn)（回流）二.沉沒和流向反轉(zhuǎn)現(xiàn)象注水器氣體底桶1.氣體流量由零起先增加液體圖2-31沉沒過程的壓降和流量變更沉沒過程試驗(yàn)現(xiàn)象AB液體流量確定，當(dāng)氣體流量增加到某一點(diǎn)時(shí)，環(huán)狀液膜表面出現(xiàn)較大的波浪，管段內(nèi)壓差突然上升，注水器上部有水帶出，此點(diǎn)即為沉沒起先點(diǎn)。出現(xiàn)的特征之一：注水器以下管段中壓差突然上升。當(dāng)接著增加氣體流量，達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，氣體將全部液體帶出試驗(yàn)段，此點(diǎn)稱為液體被全部攜帶點(diǎn)。2.氣體流量漸漸削減當(dāng)氣體流量降到某一值時(shí)，液膜起先回落到注水器以下，此點(diǎn)稱為流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)。在流向反轉(zhuǎn)點(diǎn)后接著削減氣體流量至某一值時(shí)，全部液體恢復(fù)向下流淌，這點(diǎn)稱為沉沒消逝點(diǎn)。沉沒消逝點(diǎn)與沉沒起先點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氣體流量不相等，沉沒消失點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氣體流量比沉沒開始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣體流量小，這種現(xiàn)象稱為沉沒消逝滯后。2.探討沉沒和流向反轉(zhuǎn)的重要性2.探討沉沒和流向反轉(zhuǎn)的重要性1）反應(yīng)堆出現(xiàn)破口事故時(shí)，安注系統(tǒng)的投入，須要避開沉沒產(chǎn)生的條件，保證冷卻水進(jìn)入堆芯，冷卻燃料棒；

2）破口事故時(shí)，一回路循環(huán)工質(zhì)將沿與蒸汽發(fā)生器底部相連的水平管流回反應(yīng)堆，在自然循環(huán)作用下帶出堆芯熱量，此時(shí)會(huì)在水平管處產(chǎn)生氣液逆向流淌，可能會(huì)發(fā)生沉沒現(xiàn)象，因此對(duì)水平管內(nèi)沉沒現(xiàn)象發(fā)生條件還需進(jìn)一步的探討。

和反映了慣性力與重力的比值3.沉沒和流向反轉(zhuǎn)過程的表達(dá)式引入兩個(gè)無(wú)量綱量1）發(fā)生沉沒(液阻)的條件2）發(fā)生流向反轉(zhuǎn)的條件3）液體被全部攜帶點(diǎn)判定條件式中，m和c是兩個(gè)常數(shù)，主要跟氣體的入口條件有關(guān)，可由試驗(yàn)來(lái)確定。一般狀況下，m<1,c<1.(2)低液相流速下，空泡份額

（Taitel等（1980年）)

1.泡狀流-彈狀流的過渡

(1)氣泡的聚結(jié)機(jī)理.氣泡在碰撞聚結(jié)過程引起氣泡的長(zhǎng)大，并最終使泡狀流過渡到彈狀流。確定過渡的關(guān)鍵使氣泡碰撞聚結(jié)的頻率。2.10流型之間的過渡(3)高液相流速下，液相紊流應(yīng)力起著離散氣相，阻礙氣泡聚合的作用，當(dāng)紊流應(yīng)力作用大于氣泡受到的浮力時(shí)，將阻擋泡狀流向彈狀流的轉(zhuǎn)變.2.水平管中分層流淌的出現(xiàn)范圍(1)氣相速度高，使分層面出現(xiàn)波浪，形成彈狀流。消退分層流淌的蒸汽界限速度如下式表示：(2)波的失穩(wěn)機(jī)理.波狀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(chǎn)生局部壓力著陸，使峰部同時(shí)受到抽吸作用，若抽吸力大于峰部重力效應(yīng)時(shí)，波峰便會(huì)擴(kuò)大，產(chǎn)生流型的過渡。Wallis依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了彈狀流起始條件為：3.彈狀流-乳沫狀流過渡(1)沉沒機(jī)理上升的氣流使平穩(wěn)的氣液界面遭到破壞，下降的液膜產(chǎn)生流向反轉(zhuǎn)從而破壞了穩(wěn)定的彈狀流。這個(gè)機(jī)理最早是由Nicklin和Davidson提出的，可以接受沉沒關(guān)系式表達(dá)這一過渡。(2)液柱失穩(wěn)機(jī)理(Taitel)(3)泰勒氣泡尾流影響機(jī)理（Mishima&Ishii）4.乳沫狀流-環(huán)狀流過渡乳沫狀流向環(huán)狀流的過渡可以用流向反轉(zhuǎn)來(lái)表示。其判別式與上一節(jié)相同。5.環(huán)狀流-細(xì)束環(huán)狀流過渡這個(gè)過渡不太簡(jiǎn)潔辨別，沃利斯（Wallis）經(jīng)過試驗(yàn)提出了一個(gè)近似表達(dá)式當(dāng)這個(gè)公式滿足時(shí)，就是這個(gè)過渡的起先。6.威斯曼的判別方法接受Weisman流型圖判別流型的步驟1.計(jì)算氣相折算流速和液相折算流速；2.令，依據(jù)流型圖進(jìn)