氣液兩相流-第3章-流型課件

內(nèi)容概要流型的基本知識流型的分類流型和流型圖流型研究中存在的問題1236氣液兩相流流型轉(zhuǎn)變界限氣液兩相流流型的影響因素

45內(nèi)容概要流型的基本知識流型的分類流型和流型圖流型研究中存在§3.1流型的基本知識1．定義：氣液兩相流中，不同的流量、壓力、管路布置狀況和管道幾何形狀都會造成相界面的形狀（分布）的不同，即形成不同的流動結(jié)構(gòu)模式，對此稱為流型（流態(tài)，流譜）2．流型研究的目的和意義：不同流型具有不同的壓力、流量特征，也具有不同的傳熱特性，不考慮流型變化的阻力和傳熱特性計(jì)算是粗糙和不可靠的?？梢哉f流型是兩相流研究的基礎(chǔ)。50年代Baker等就證明了流動特性計(jì)算和流型間的這種依變關(guān)系。§3.1流型的基本知識1．定義：氣液兩相流中，不同的流量、3．應(yīng)用流型研究的方法過去的方法：（1）進(jìn)行大量的試驗(yàn)（2）畫出流型圖（3）根據(jù)流動條件在流型圖上確定流型現(xiàn)在的方法：（1）根據(jù)試驗(yàn)和理論分析，探討流型產(chǎn)生、發(fā)展的過程，建立流型轉(zhuǎn)變機(jī)理的數(shù)學(xué)物理模型；（2）根據(jù)流型轉(zhuǎn)變的機(jī)理來判斷流型；（3）然后，根據(jù)具體流型的特征來建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)行流動特性和傳熱特性的計(jì)算。3．應(yīng)用流型研究的方法流型的分類經(jīng)歷了一個(gè)由粗到細(xì)，又由細(xì)到粗的過程。并不是越細(xì)越好，應(yīng)以滿足工程實(shí)際應(yīng)用和兩相流計(jì)算的需要為目的，摒棄那些似是而非，沒有顯著特征的流型分類，將其歸并到其它流型中去。流動形態(tài)多種多樣，界限也不是十分清晰。在處理兩相流體力學(xué)問題時(shí)，可以人為地分為幾種流動形態(tài)，并且認(rèn)為，在每一種流動形態(tài)范圍內(nèi)，其流體力學(xué)特性是基本相同的。

§3.2流型的分類

§3.2.1分類流型的分類經(jīng)歷了一個(gè)由粗到細(xì)，又由細(xì)到粗的過程流型的劃分目前有以下兩類：第一劃分方法：根據(jù)兩相介質(zhì)分布的外形劃分，括號內(nèi)的流型只出現(xiàn)在水平和微傾斜管中，泡狀流(BubbleFlow)；柱塞流(Plugflow）；段塞流(Slugflow)；塊狀流(Churnflow)環(huán)狀流（Annularflow）霧狀流(Mistflow)(分層流—Stratifiedflow)(波狀流—Wavystratifiedflow)；流型的劃分目前有以下兩類：氣液兩相流-第3章-流型課件第二類劃分方法：

按照流動的數(shù)學(xué)模型分類：分散流動或彌散流（dispersedflow）分離流(separatedflow)間歇流(intermittentflow)第二類劃分方法：氣液兩相流-第3章-流型課件§3.2.2流型的識別方法方法很多，如觀察法（高速攝影）、射線衰減法、電容法、壓降脈動分析法、電導(dǎo)法等，每種方法各有其特點(diǎn)，但還沒有一完善的方法。這主要是由于相界面形態(tài)的多樣性以及流動本身的復(fù)雜性而造成的。目前常用兩種或幾種方法組合，以便取長補(bǔ)短。但目前對流型的識別仍不成熟，流型間的轉(zhuǎn)變不是一個(gè)突變過程也是原因之一。在轉(zhuǎn)變區(qū)域存在一些具有其相鄰兩種流型特征的中間流型，要確定一個(gè)界限值不容易。目前的各種方法中，人的主觀因素影響很大?！?.2.2流型的識別方法流型是氣液兩相流研究的基礎(chǔ)。研究流型首先要完成流型的識別，沒有準(zhǔn)確的流型識別方法就談不上依據(jù)流型計(jì)算的準(zhǔn)確性。最初，人們對流型的識別僅僅是通過目測觀察法來進(jìn)行，后來又借助高速攝影來判別，但由于兩相流的復(fù)雜性，這種帶有主觀性的觀察無疑會帶來較大的誤差（可能因人而不同），于是又相繼出現(xiàn)了流型識別的其他手段。流型是氣液兩相流研究的基礎(chǔ)。研究流型首先要完成流型的識別，沒流型識別技術(shù)根據(jù)使用方法的特點(diǎn)，大致可歸納為以下幾種：（1）觀察法和高速攝影技術(shù)這種方法最簡單和直接，因此，在可能的條件下，人們也往往采用。但是直接目測觀察要求管壁是可透視的或設(shè)有觀察孔，而且流動速度不能太快，否則將無法準(zhǔn)確判斷。高速攝影技術(shù)的應(yīng)用彌補(bǔ)了目測觀察法的不足，能夠捕捉住高速流動過程中某一瞬間的流動圖像，曾被Cooperetal.，Arnold&Hewitt等所應(yīng)用和發(fā)展。但是，相界面的復(fù)雜性，光線在相界面上的多重反射和折射，會妨礙從外面對流動的觀察，很難透視管中的真正流動。如液膜中帶有氣泡的環(huán)狀流，用高速攝影會誤判為泡狀流，這時(shí)可采用軸向觀察法。⑴觀察法和高速攝影技術(shù)流型識別技術(shù)根據(jù)使用方法的特點(diǎn)，大致可歸納為以下幾種：⑴觀察（2）流動參數(shù)的波動量統(tǒng)計(jì)分析法：這是一種通過對某一流動參數(shù)的波動量的統(tǒng)計(jì)分析來確定流型的方法。通常采用的有對壓力（壓降）、電導(dǎo)率、截面含氣率或液膜厚度等參數(shù)的脈動量分析法。⑵流動參數(shù)的波動量統(tǒng)計(jì)分析法（2）流動參數(shù)的波動量統(tǒng)計(jì)分析法：⑵流動參數(shù)的波動量統(tǒng)計(jì)分析用管路局部壓力（壓降）波動法測定流型

就是利用管線上某一測點(diǎn)的壓力（或某一測量段的壓差）隨時(shí)間變化的規(guī)律來確定流型的方法。這種方法使用方便而且效果較好，曾被廣泛應(yīng)用。連續(xù)測量管路某點(diǎn)的局部壓力，分析壓力信號的功率或頻譜密度，可區(qū)別管路內(nèi)流型。Hubbard-Dukler和Simpson等人已用這種方法區(qū)別出分離流、彌散流和間歇流三種流型。該法的不足是：對壓力波動信號的分析不如圖像輸出清晰，比如在較高質(zhì)量流速和低含氣率時(shí)，與流型相對應(yīng)的信號并不是很清晰，辨別起來就很困難；另外一個(gè)問題就是存在從試驗(yàn)段出口的壓力反射波的虛假信號影響。因此，在這方面仍須改進(jìn)。用管路局部壓力（壓降）波動法測定流型用電導(dǎo)率（用電導(dǎo)探針測量）、截面含氣率以及液膜厚度等的脈動特性來識別流型，其基本原理是一樣的，就是根據(jù)兩相流體流過管道時(shí)，在不同的流動狀態(tài)下，截面含氣率、液膜厚度、電導(dǎo)率的變化特性來確定流型。用電導(dǎo)探針來識別流型的方法最初是由Solomen和Griffith提出，后來又經(jīng)Barneaetal.改進(jìn)，具體方法可見相關(guān)文獻(xiàn)。用截面含氣率、液膜厚度等識別流型的方法見文獻(xiàn)[25，26]，在此不一一贅述。用電導(dǎo)率（用電導(dǎo)探針測量）、截面含氣率以及液膜厚度等的脈動特功率譜密度是一種概率統(tǒng)計(jì)方法，是對隨機(jī)變量均方值的量度。一般用于隨機(jī)振動分析，連續(xù)瞬態(tài)響應(yīng)只能通過概率分布函數(shù)進(jìn)行描述，即出現(xiàn)某水平響應(yīng)所對應(yīng)的概率。頻譜分析（也稱頻率分析），是對動態(tài)信號在頻率域內(nèi)進(jìn)行分析，分析的結(jié)果是以頻率為坐標(biāo)的各種物理量的譜線和曲線，可得到各種幅值以頻率為變量的頻譜函數(shù)F(ω)。功率譜密度是一種概率統(tǒng)計(jì)方法，是對隨機(jī)變量均方值的量度。一般氣液兩相流-第3章-流型課件氣液兩相流-第3章-流型課件氣液兩相流-第3章-流型課件氣液兩相流-第3章-流型課件氣液兩相流-第3章-流型課件氣液兩相流-第3章-流型課件目前常用的有借助于射線照相術(shù)及多束測光密度術(shù)的兩種流型識別方法。

1)X射線照相術(shù)曾被Benettetal.;Hewitt&Robert;Mayinger&Zetmann等應(yīng)用在流型識別中，它是借助于X射線儀向測試管段發(fā)出很短的射線脈沖。由于兩相相分布的不同，因而穿過管道后X射線熒光檢測儀接受到的X射線也就不同，以此來識別流型。⑶應(yīng)用輻射吸收特性的空間分布規(guī)律來識別流型的方法目前常用的有借助于射線照相術(shù)及多束測光密度術(shù)的x射線照相法:用x射線的吸收特征確定含氣率

流體對x射線的吸收率隨流體瞬時(shí)密度的增加而增大，即：隨含氣率的增加而減小。用x射線吸收特征測定含氣率時(shí)，監(jiān)測器輸出信號代表管內(nèi)流體的含氣率，在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)測量含氣率可得含氣率的概率分布，依此判斷流型。Hewitt認(rèn)為，這是一種較有前途的測流型方法。這種方法可避免可見光與氣液界面一系列復(fù)雜的反射和折射，并可透過金屬管壁觀察流體流動情況。不足是：需減少管壁對x射線的吸收率，提高照相的分辨率，另一重要問題是解決放射性的處理問題。x射線照相法:用x射線的吸收特征確定含氣率2)多束測光密度法是利用多束射線穿過兩相流管路時(shí)，接收到的光線密度的變化來確定流型。可用X射線、?射線。射線源的強(qiáng)度越高，時(shí)間響應(yīng)越好（如Cs137源）用射線吸收規(guī)律來識別流型時(shí)，應(yīng)注意輻射對人體的傷害；另外,由于存在著管壁因素等影響，因而對于高壓下的厚壁管道就不太適應(yīng)（因?yàn)楣艿牢仗嗟墓庾幽芰浚?)多束測光密度法是利用多束射線穿過兩相流管路時(shí)，接收到的光x和γ射線穿過物質(zhì)時(shí)，射線強(qiáng)度發(fā)生衰減。設(shè)有一束射線的初始強(qiáng)度為I0（每平方米每秒的光子數(shù)），準(zhǔn)直射來的吸收可用指數(shù)吸收定律來描述：

射線穿過兩層管壁和兩相混合物后，再進(jìn)入探測器。使用這種方法時(shí)，先測出管內(nèi)全部為氣體和液體時(shí)，所接受到的射線強(qiáng)度IG和IL，然后測量管內(nèi)氣液混合物的射線強(qiáng)度I，含氣率可按下式求得：多束射線密度計(jì)多束射線密度計(jì)上述方法測得的含氣率僅是射線透過管截面某一弦長上的含氣率。為取得截面平均含氣率，可采用多束射線或與管道直徑一樣寬的寬輻線和準(zhǔn)直儀。圖為Lassaha獲取管內(nèi)流型資料的三束γ射線密度計(jì)系統(tǒng)。

上述方法測得的含氣率僅是射線透過管截面某一弦長上的含氣率。這種測量方法存在的問題是：存在與輻射操作有關(guān)的安全問題；光子的產(chǎn)生帶有隨機(jī)性質(zhì)，故輻射測量存在基本的統(tǒng)計(jì)誤差。需要較長的測量時(shí)間使標(biāo)準(zhǔn)偏差減小；氣泡的方向性對測量精度有一定影響。這種測量方法存在的問題是：⑷流型測量方法的選擇126345⑷流型測量方法的選擇126345管路內(nèi)氣液流速很低，用目測法就可判別流型時(shí)，采用目測法和透明試驗(yàn)管段。在有透明測試段的地方，有時(shí)可采用高速閃光和電影攝像機(jī)判別流型。但管內(nèi)存在復(fù)雜氣液界面時(shí)，由于界面產(chǎn)生的光的反射和折射會妨礙對流型的觀察，看到的可能是貼近管壁的那部分流體結(jié)構(gòu)，看不到管中心部分，這種方法所得資料數(shù)量極大，整理困難并帶有人為因素。這時(shí)可采用下述方法。不適合采用射線照相和射線密度計(jì)的場合，可采用壓力波動測定的分析法。管壁對x射線吸收量不多的場合，可采用x射線照相法。但該法只適用于定點(diǎn)照相，不適合跟蹤照相。對穩(wěn)定兩相流，可采用x射線吸收法測定含氣率波動的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。對瞬態(tài)或過渡流型可采用多束x射線或γ射線密度計(jì)。管路內(nèi)氣液流速很低，用目測法就可判別流型時(shí)，采用目測法和透明§3.3流型和流型圖流型圖（FlowPatternMap）:在兩相流條件下，反映流型發(fā)生區(qū)域的圖。為了更直觀地反映兩相流的流型變化情況，最早的流型圖的概念由Kosterin(1949)提出，隨后Baker(1954)建立了第一張實(shí)用流型圖，并在石油工業(yè)和冷凝工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。為了在流型圖上納入更多、更全面的流型影響因素，許多研究者相繼建立了不同坐標(biāo)系的流型圖，但目前被最廣泛采用的還是以兩相折算流速為坐標(biāo)的Mandhaneetal.(1974)流型圖，但如Lin＆Hanratty(1987)指出的那樣，在Mandhane流型圖中，沒有計(jì)算管路幾何尺寸和流體物性的影響。但是，由于實(shí)際上流型的影響因素很多，要想完全考慮進(jìn)去是不大可能的。必須尋找更合適的方法來確定流型。§3.3流型和流型圖流型圖（FlowPatternM流型圖是建立在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上的，因此其應(yīng)用也受到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源的限制。隨著氣液兩相流研究的不斷深入，流型圖也在不斷完善，以下僅就各種簡單的和復(fù)雜管道中的氣液兩相流流型以及流型圖進(jìn)行簡要地說明。各文獻(xiàn)定義了多種多樣的流型，這一方面是由于流型變化的復(fù)雜性；另一方面是由于不同作者對同一流型的命名不同。流型圖是建立在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上的，因此其應(yīng)用也受到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源目前研究最多，因此相對來說最成熟，但主要是以低黏度工質(zhì)為基礎(chǔ)的，最初的研究因?yàn)樵诹餍偷淖R別上僅僅采用觀察法，因而不免存在著較多的混淆。目前對上升流的流型通常分為以下四種，即泡狀流，段塞流，塊狀流及環(huán)狀流四種。以上四種流型還可以進(jìn)一步細(xì)分，比如對環(huán)狀流，根據(jù)氣核中是否攜帶有液滴或液條，又可分為環(huán)霧流和帶纖維的環(huán)狀流等。流型間的轉(zhuǎn)變并不是突然發(fā)生的。因而在這一轉(zhuǎn)變過程中也可能觀察到許多具有兩個(gè)基本流型部分特征的中間流型。但流型的劃分并不是越細(xì)越好，而應(yīng)以滿足工程計(jì)算和理論研究的需求為目的?！?.3.1垂直上升流動

目前研究最多，因此相對來說最成熟，但主要是以低黏度工質(zhì)為基礎(chǔ)氣液兩相流-第3章-流型課件泡狀流：當(dāng)氣液兩相流速較低時(shí)，不規(guī)則形狀的氣泡分散在連續(xù)的液相中，并由于浮力的作用，以比液相快的速度向上運(yùn)動；段塞流：隨著氣速的增大，大部分小氣泡合并成彈狀的、直徑接近管子內(nèi)徑的Taylor氣泡，在Taylor氣泡之間是含有小氣泡的液彈段（LiquidSlug）。根據(jù)Taylor氣泡的形狀，又有人將其稱為“彈狀流”。塊狀流：再增大氣速，原來呈彈狀的大氣泡發(fā)生變形，其周圍含有氣泡的液膜上下波動，同時(shí)，液段也時(shí)常被劇烈擾動的氣團(tuán)破碎成液塊。其總體特征是大小不一的氣團(tuán)在含有氣泡的液流中混亂地向上運(yùn)動。環(huán)狀流：進(jìn)一步增加氣速，大氣泡首尾相接，在管子中心形成夾帶液滴的氣流，管壁上的液膜連續(xù)地向上運(yùn)動。⑴垂直上升管內(nèi)的流型泡狀流：當(dāng)氣液兩相流速較低時(shí)，不規(guī)則形狀的氣泡分散在連續(xù)的液⑵垂直上升管中的流型圖Govier-Aziz流型圖：1972年發(fā)表⑵垂直上升管中的流型圖Govier-Aziz流型圖：1972Weisman流型圖：發(fā)表于1979和1981年Weisman流型圖：發(fā)表于1979和1981年氣液兩相流-第3章-流型課件氣液兩相流-第3章-流型課件分類：分層流、泡狀流、段塞流、環(huán)狀流。特點(diǎn)：由于重力影響，兩相分布更不均勻，氣相偏向于管頂部聚集?！?.3.2水平管中的流型

分類：分層流、泡狀流、段塞流、環(huán)狀流?！?.3.2水平管中在水平或微傾斜管中，由于重力的影響，兩相分布呈現(xiàn)出不對稱狀態(tài)，即氣相偏于向管頂部聚集，液相偏于在管底部分布。通常水平管中的流型可分為以下四種：（1）分層流在這種流動中，當(dāng)兩相流速較低時(shí)，氣相和液相分開流動，兩相之間存在一平滑的分界；而當(dāng)在流量較高時(shí)，兩相分界面上由于Kelvin-Helmhoz現(xiàn)象出現(xiàn)界面波。因此，根據(jù)相界面的形態(tài)可將其進(jìn)一步劃分為光滑分層流和波狀分層流。（2）間歇流在水平流動中，經(jīng)常會出現(xiàn)間歇流。它由液彈段和Taylor氣泡段組成，通常其長度為幾十倍管徑大小。液彈和Taylor氣泡段交替流過管截面，從而會引起大的壓力脈動。根據(jù)液彈中含氣量的多少，又可將其進(jìn)一步細(xì)分為長泡狀流、段塞流和塊狀流（泡沫流）三種。水平管中長泡狀流和塊狀流的流動特征和垂直上升管中的基本相似（除由于重力影響，氣相偏于向管頂部聚集外）。在塊狀流中，液相粘度越高，乳化作用越明顯，液塊中的氣相含量越大。因此，這時(shí)塊狀流呈現(xiàn)出一種強(qiáng)湍動的泡沫狀流動狀態(tài)，這也就是有些研究者將其稱為泡沫流或乳沫流的原因。在水平或微傾斜管中，由于重力的影響，兩相分布呈現(xiàn)出不對稱狀態(tài)（3）環(huán)狀流當(dāng)氣相流速很高時(shí)，長的氣泡首尾相接，形成氣芯流動。液相則沿管壁周向形成一層液膜。由于重力的作用，液膜在管底部較厚。氣速較高時(shí)，在氣芯中也常攜帶有一定量的細(xì)小的液滴。

（4）彌散泡狀流

當(dāng)液相流量較大，氣相流量較小時(shí)，氣相便被破碎成細(xì)小的氣泡分散在連續(xù)的液相中。氣泡偏于向管頂部聚集，氣相速度越高，其在管截面上的分布相對來說越均勻。圖3－18為水平管中氣液兩相流的各種流型。（3）環(huán)狀流當(dāng)氣相流速很高時(shí)，長的氣泡首尾相接，形成氣1954年，Baker最早提出一幅水平兩相流型圖⑴水平管中的流型圖1954年，Baker最早提出一幅水平兩相流型圖⑴水平管中1963年Scott對Baker流型圖作了二點(diǎn)重要修改（1）顯示了不同流型間的過渡區(qū)域；

（2）取消了環(huán)狀流和彌散流（是指mistflow）的分界線，因?yàn)閺浬⒘魍瑯哟嬖谝涵h(huán)，只是液環(huán)太薄無法測量而已。1963年Scott對Baker流型圖作了二點(diǎn)重要修改（11962年Govier和Omer流型圖上述兩幅流型圖的縱、橫坐標(biāo)不同，不便于對比。但其共同點(diǎn)是，認(rèn)為除氣液相流量對流型有關(guān)外，氣液物性（ρ，μ，σ）對流型也有影響。1962年Govier和Omer流型圖上述兩幅流型圖的縱1974年，Mandhane又提出了一幅在水平管路狀態(tài)下以氣、液相折算速度為橫、縱坐標(biāo)的流型圖1974年，Mandhane又提出了一幅在水平管路狀態(tài)下以氣氣液兩相流-第3章-流型課件氣液兩相流-第3章-流型課件對垂直下降管中的氣液兩相流流型的研究較少，主要是借鑒垂直上升管和水平管中流型研究的方法。主要實(shí)驗(yàn)研究和文獻(xiàn)有：Barneaetal(1982a)、Troniewski&Spisak(1987)以及作者對較粘性流體進(jìn)行的研究（見博士論文，1996）其流型大致可分為：泡狀流、間歇流、環(huán)狀流（包括降膜流）。

§3.3.3垂直下降管中的流型

對垂直下降管中的氣液兩相流流型的研究較少，主要是借鑒垂直上升氣液兩相流-第3章-流型課件垂直下降管中的流型按流動特征大致可分為泡狀流、間歇流、環(huán)狀流和降膜流四種。泡狀流：通常發(fā)生在較高液速和低氣速時(shí)，在垂直下降流中，根據(jù)兩相流速的不同，氣泡可呈現(xiàn)出不同的形狀。在很低氣、液相速度時(shí)，由于氣泡浮力相對液相湍流力的增大，氣泡緩緩下移。這時(shí)小氣泡間相互合并形成較大的氣泡或氣團(tuán)，在液相粘滯力的作用下被拉長，形成長長的貼壁氣泡或氣條（圖3－7C），將其稱為貼壁長泡狀流。增加液速，這時(shí)可以看到氣相在較強(qiáng)的液相湍流力作用下破碎成細(xì)小的氣泡，彌散在液相中隨之一起向下流動，這時(shí)氣泡可呈球形或橢球形（圖3－7a），在相對較低的液速時(shí)則呈為半球形或傘形（圖3－7b）。氣泡越小，移動得越快，就越向管子中心移動；在很低的液速時(shí)，還可以看到一種間歇型的泡狀流狀態(tài)。這時(shí)，由于液相不足以拖動氣泡，或流體上粘滯力和氣泡浮力處于平衡狀態(tài)，因此小氣泡在管中近乎停滯或反而緩慢地向上運(yùn)動。于是氣相開始聚集，當(dāng)達(dá)到一定程度后，氣相便沖破阻力（浮力和液相阻力）以一大團(tuán)彌散在液相中的小氣泡群形式（泡狀流）向下流動。隨后氣泡便又開始停滯、積累流下，反復(fù)此過程。由于此時(shí)氣、液相流量都很低，且氣泡在停滯或成為氣泡群下移時(shí)，總以泡狀流的形式出現(xiàn)，其壓降時(shí)均值和脈動值都較小，因此本文仍將其歸入泡狀流的范疇。垂直下降管中的流型按流動特征大致可分為泡狀流、間歇流、環(huán)狀流間歇流：在較高氣速和液速時(shí)，還存在一種流型，這時(shí)氣相和液相（含有小氣泡）交替流過管截面，形成一種近似周期性的流動，稱之為“間歇流”。根據(jù)液段中截面含氣率的大小，又可將其分成：長泡狀流（Elongatedbubbleflow）、段塞流（slugflow）和塊狀流（churnflow）三種流型，段塞流是間歇流的一種代表性的流動狀態(tài)。它由Taylor氣泡段（直徑接近管子內(nèi)徑）和液彈段組成，它們交替流過，從而造成壓降和流量的脈動，Taylor氣泡周圍是貼壁液膜，在液段中也含有一定量的小氣泡（長泡狀流又稱為準(zhǔn)段塞流，它是段塞流中液彈截面含氣率為零時(shí)的一種極限狀態(tài)，即液段中不含小氣泡；而塊狀流則是段塞流中液段截面含氣率達(dá)到極大值的另一極限狀態(tài)，這時(shí)兩相流動更為強(qiáng)烈，液段被破碎成含有小氣泡的液塊或液團(tuán)（圖3－7g）。環(huán)狀流：當(dāng)氣速很高時(shí)，氣相便以氣核的形式在管子中心流動，而液相則成為貼壁液膜向下流動（圖3－7g）。根據(jù)兩相流速的不同，在氣核中也可攜帶有從液膜撕下的液滴或液條。因而又可將其進(jìn)一步劃分為環(huán)狀流（氣流中攜帶有小液滴）和帶纖維的環(huán)狀流。間歇流：在較高氣速和液速時(shí)，還存在一種流型，這時(shí)氣相和液相（降膜流：它發(fā)生在較低的兩相流速時(shí)(液速要比泡狀流時(shí)小得多)，氣相在管中心流動，液相在重力作用下形成薄的貼壁液膜緩緩流下。由于兩相湍流度小，通常液膜中不含氣泡，氣流中也幾乎不含有液滴。它不同于高氣速流動下的環(huán)狀流，而是相應(yīng)于水平流動中的分層流區(qū)域。只是由于重力方向和流動方向平行，而無偏心分布現(xiàn)象（圖3－7h）。但是，它在流動型態(tài)和流動特性（如壓降特性）上與環(huán)狀流極其相似，因此有些研究者如Barnea，將其歸入環(huán)狀流中。而且從流動特性計(jì)算的角度來考慮，也的確無進(jìn)一步細(xì)分的必要。因此，盡管為了詳細(xì)說明起見，在流型分類上將其獨(dú)立出來，但在本文后面的流動特性計(jì)算中仍將其歸如環(huán)形流中。

降膜流：它發(fā)生在較低的兩相流速時(shí)(液速要比泡狀流時(shí)小得多)，在高粘液體的下降流中，由于液相粘度的影響，還可以看到一些不同于低粘液體兩相流的情形。如在間歇流中，當(dāng)兩相流速較低時(shí)，我們可以看到在緩緩向下流動的大氣泡中有一絲下垂的液條貫穿其中，就象懸空的鐘乳石一樣。這時(shí)，通常液段中無氣泡存在，Troniewski＆Spisak將其稱之為鐘乳狀流動（圖3-7j）。在高粘液體的下降流中，由于液相粘度的影響，還可以看到一些不同⑴垂直下降管中的流型圖⑴垂直下降管中的流型圖氣液兩相流-第3章-流型課件工業(yè)中傾斜布置的的管子也很多，如空氣冷凝器的大傾角管子、油氣開采中的斜井（如在海灘上抽取海中心的油）、海底管線、鍋爐中的各種傾斜管等。但目前研究較少。傾角是影響流型的一個(gè)很重要的因素。對傾斜管中流型及其轉(zhuǎn)變的研究近年來有新發(fā)展，如Barnea等人（1982、1985）的研究、多相流荊建剛、王昱等人的研究等，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。主要結(jié)論：分層流與間歇流的過渡對傾角特別敏感

,管路向下傾斜時(shí)很容易產(chǎn)生分層流，上傾時(shí)則易產(chǎn)生間歇流。管路傾角對分散氣泡流/間歇流和間歇流/環(huán)霧流過渡的影響不大?！?.3.4傾斜管中的流型

工業(yè)中傾斜布置的的管子也很多，如空氣冷凝器的大傾角管子、油氣總的來說，向下傾斜時(shí)，由于受重力的作用越易發(fā)生分層流；向上傾斜時(shí)，由于越容易形成液相的堆積，因而越易發(fā)生間歇流。在向上傾斜的管中，當(dāng)傾角大于10°時(shí)，分層流幾乎消失，這也就是鍋爐爐膛出口處的凝渣管的傾角通常設(shè)計(jì)的不得小于15°的原因。下面是不同傾角對流型的影響?？偟膩碚f，向下傾斜時(shí)，由于受重力的作用越易發(fā)生分層流；向上傾⑴傾斜管中的流型圖⑴傾斜管中的流型圖

由于兩相流動所受外力很復(fù)雜，因而其流型間的轉(zhuǎn)變界限也有很大變化。目前這方面的研究還很不夠。

困難較多：流動更不穩(wěn)定，也更不充分;流型測量困難；流動不均勻，流型也隨時(shí)空變化很大，很難說整體上是什么流型。§3.3.5管束、棒束、Ｕ型管、螺旋管、矩形管、環(huán)形管中流型

由于兩相流動所受外力很復(fù)雜，因而其流型工業(yè)中的應(yīng)用：立管式凝結(jié)換熱器中蒸汽向上流動而凝結(jié)液膜往下流動；壓水堆失水事故時(shí)，備用冷卻水向下流動和蒸汽形成逆流。最常見的流型為：環(huán)狀流，此外還有泡狀流和段塞流。兩種極限狀態(tài)：1).液泛（Flooding）液泛是當(dāng)氣速增大到液膜開始停止往下流動且液膜不穩(wěn)定，液膜波峰被氣流撕破形成的細(xì)小液滴開始被氣流帶走時(shí)?！?.3.6氣液兩相逆向流動時(shí)的流型（液泛和回流）工業(yè)中的應(yīng)用：立管式凝結(jié)換熱器中蒸汽向上流動而凝結(jié)液膜往下流LiquidLiquidgas⑴液泛LiquidLiquidgas⑴液泛液泛流動的特點(diǎn)：液相注入?yún)^(qū)以上管段中的壓力劇增(其由單相流轉(zhuǎn)化為兩相霧狀流）；液膜停止往下流動且變得不穩(wěn)定，液膜在注入點(diǎn)附近作忽上忽下的運(yùn)動。當(dāng)氣速大于阻液速度，則液膜上流。

計(jì)算液泛發(fā)生的主要方法多是經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。常用的為Wallis法：其認(rèn)為發(fā)生液泛的條件為：其中JG*為無因次折算速度，反映了慣性力與重力的比值。

液泛流動的特點(diǎn)：其中系數(shù)m、c的取值如下：當(dāng)重力影響遠(yuǎn)大于粘性力時(shí)，亦即Gr值很大時(shí)，

m=1.0;當(dāng)重力影響遠(yuǎn)小于粘性力時(shí)，亦即Gr值較小時(shí)：Gr—Grashof數(shù)為：

其中系數(shù)m、c的取值如下：2）.回流（FlowReversal）高氣速流動使注液區(qū)以下產(chǎn)生干涸后，液膜隨氣流一起向上流動，如使氣速減小，則當(dāng)氣速減小到一定值時(shí)液膜將出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，在兩相分界面上出現(xiàn)較大振幅的波，液膜有下降到注液區(qū)以下的傾向，這一工況稱為“回流現(xiàn)象”。

Wallis建議發(fā)生回流的界限有下式表示：⑵回流2）.回流（FlowReversal）LiquidgasLiquidgas在以上發(fā)生回流的關(guān)系式中含有管徑的影響因素，但普希金的試驗(yàn)研究認(rèn)為直徑對發(fā)生回流并無影響作用，其試驗(yàn)界限關(guān)聯(lián)式為：（6～309mm的管子，air—water）

即當(dāng)氣相慣性力與液相的靜重力之比達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生回流。在以上發(fā)生回流的關(guān)系式中含有管徑的影響因素，但普希金的試驗(yàn)研當(dāng)前液泛和回流研究中存在的問題：直徑的影響究竟如何？

Wallis進(jìn)一步的研究認(rèn)為在大直徑管子中，發(fā)生回流時(shí)的Ku值逐漸趨向于常數(shù)，即趨向與直徑無關(guān)。即當(dāng)氣相慣性力與液相的重力之比達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生回流。液泛和回流的研究對壓水反應(yīng)堆失冷事故的安全分析是至關(guān)重要的，冷卻水沿著外壁下流冷卻，但如果發(fā)生液泛則不能及時(shí)冷卻堆芯。但目前還沒有導(dǎo)出滿意的理論公式或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。因而還需要對此進(jìn)行深入的研究，特別是應(yīng)在更大的范圍內(nèi)涉及到不同的流體物性及不同的幾何性質(zhì)。當(dāng)前液泛和回流研究中存在的問題：直徑的影響究竟如何？

§3.4氣液兩相流流型轉(zhuǎn)變界限

在氣液兩相流中，相界面的多樣性造成了流型的變化。在兩相流動阻力及傳熱計(jì)算中，要合理地建立物理模型，就要首先確定流型，這就要求能準(zhǔn)確地確定流型轉(zhuǎn)變界限。對此國外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究工作，探討流型轉(zhuǎn)變的機(jī)理，建立了許多不同條件下的流型圖。在流型轉(zhuǎn)變中，不同的管路布置有著不同的流型轉(zhuǎn)變規(guī)律。§3.4氣液兩相流流型轉(zhuǎn)變界限在氣液兩相流中，相界面A流型對垂直上升流的流型研究大多是針對空氣－水進(jìn)行的，最初的研究因?yàn)樵诹餍偷淖R別上僅僅采用觀察法，因而不免存在著較多的混淆。目前對上升流的流型通常分為以下四種，即泡狀流，段塞流，塊狀流及環(huán)狀流。以上四種流型還可以進(jìn)一步細(xì)分，比如對環(huán)狀流，根據(jù)氣核中是否攜帶有液滴或液條，又可分為環(huán)霧流和帶纖維的環(huán)狀流等。流型間的轉(zhuǎn)變并不是突然發(fā)生的。因而在這一轉(zhuǎn)變過程中也可能觀察到許多具有兩個(gè)基本流型部分特征的中間流型。但流型的劃分并不是越細(xì)越好，而應(yīng)以滿足工程計(jì)算和理論研究的需求為目的?！?.4.1垂直上升流的流型及其轉(zhuǎn)變界限A流型§3.4.1垂直上升流的流型及其轉(zhuǎn)變界限⑴流型垂直上升管內(nèi)的流型，根據(jù)氣液相界面特征的不同可分為：泡狀流、段塞流、塊狀流和環(huán)狀流四種。泡狀流：當(dāng)氣液兩相流速較低時(shí)，不規(guī)則形狀的氣泡分散在連續(xù)的液相中，并由于浮力的作用，以比液相快的速度向上運(yùn)動；段塞流：隨著氣速的增大，大部分小氣泡合并成彈狀的、直徑接近管子內(nèi)徑的Taylor氣泡，在Taylor氣泡之間是含有小氣泡的液彈段（LiquidSlug）。根據(jù)Taylor氣泡的形狀，又有人將其稱為“彈狀流”。塊狀流：再增大氣速，原來呈彈狀的大氣泡發(fā)生變形，其周圍含有氣泡的液膜上下波動，同時(shí)，液段也時(shí)常被劇烈擾動的氣團(tuán)破碎成液塊。其總體特征是大小不一的氣團(tuán)在含有氣泡的液流中混亂地向上運(yùn)動。環(huán)狀流：進(jìn)一步增加氣速，大氣泡首尾相接，在管子中心形成夾帶液滴的氣流，管壁上的液膜連續(xù)地向上運(yùn)動。⑴流型垂直上升管內(nèi)的流型，根據(jù)氣液相界面特征的不同可分為：泡對上升流的流型轉(zhuǎn)變機(jī)理已進(jìn)行了大量的研究，其主要機(jī)理如下；a泡狀流-段塞流轉(zhuǎn)變泡狀流發(fā)生在低氣相流量時(shí)，當(dāng)氣相流量增大時(shí)，氣泡就開始合并，形成較大的氣泡或氣團(tuán)。有兩個(gè)過程控制著泡狀流的穩(wěn)定性。即由于氣泡間相互碰撞引起的氣泡合并以及由于液相湍流力引起的氣泡破裂。陳宣政(1991)根據(jù)試驗(yàn)和理論分析得出垂直上升管內(nèi)油氣兩相流的轉(zhuǎn)變界限如下：即⑵流型轉(zhuǎn)變對上升流的流型轉(zhuǎn)變機(jī)理已進(jìn)行了大量的研究，其主要機(jī)理如下；⑵b段塞流-塊狀流轉(zhuǎn)變塊狀流是一種具有高度擾動的氣液流動，它具有像段塞流那樣的脈動特性，液團(tuán)在管內(nèi)做忽上忽下的振蕩，但同時(shí)其脈動又具有隨機(jī)性，它是一種介于段塞流和環(huán)狀流之間的流型，對段塞流向塊狀流轉(zhuǎn)化的機(jī)理，最突出的有以下四種：Dukler&Taitel(1986)的出口影響機(jī)理[1]。該機(jī)理認(rèn)為塊狀流是由于出口影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定流動。McQuillan&Whalley(1985)的液泛機(jī)理[2]。即，考慮Taylor氣泡周圍液膜發(fā)生液泛時(shí)為轉(zhuǎn)換發(fā)生的界限。Mishima&Ishii(1984)的Taylor氣泡尾流影響機(jī)理[3]。Brauner&Barnea(1986)的液彈氣泡合并造成液彈破裂的機(jī)理b段塞流-塊狀流轉(zhuǎn)變S.Jayanti&G.F.Hewitt(1992)在仔細(xì)研究比較以上機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了提出了對McQuillan和Whalley的液泛機(jī)理修正后的計(jì)算模型修正的液泛機(jī)理，它具有較高的精確度和理論基礎(chǔ)。認(rèn)為段塞流向塊狀流的轉(zhuǎn)變條件為：

其中其中，U*GS,U*LS

–-為無量綱氣﹑液相折算速度，具體定義參見其文獻(xiàn)。

m—系數(shù)，是相對長度L/D的函數(shù)。S.Jayanti&G.F.Hewitt(1992)在Taylor氣泡折算速度Vbs和液膜折算速度Vfs可由以下三式聯(lián)立求得式中

——Taylor氣泡周圍的液膜厚度；系數(shù)m：Taylor氣泡折算速度Vbs和液膜折算速度Vfs可由以下三C.向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變其中：

根據(jù)Taiteletal的分析結(jié)果，在低折算液速條件下，僅當(dāng)管徑大于臨界值，即：時(shí)，垂直上升管內(nèi)才會出現(xiàn)泡狀流。C.向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變A.

流型水平管中的兩相流由于重力方向與流動方向垂直，使得兩相分布呈現(xiàn)出不對稱狀態(tài)，即液相（重相）趨于向管道底部聚集，從而使兩相水平流動更加復(fù)雜。對水平管中的氣液兩相流型從四十年代末以來已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，其中最為突出的如：Baker(1954);Hubbard&Dukler(1966);Mandhaneetal.(1974);Dukler&Taitel(1976);Weisman(1979);Speeding&Nguven;Lin&Hanratty等的研究?！?.4.2水平或微傾斜管中的流型及轉(zhuǎn)變機(jī)理

A.流型§3.4.2水平或微傾斜管中的流型及轉(zhuǎn)變機(jī)理

水平管中的兩相流流型按其流動特點(diǎn)可分為:(1)分層流：根據(jù)氣液相界面是否存在波動又分為光滑分層流和波狀分層流兩種；（2）間歇流：包括段塞流﹑長泡狀流和塊狀流；（3）環(huán)狀流（4）彌散泡狀流⑴流型水平管中的兩相流流型按其流動特點(diǎn)可分為:⑴流型Taitel＆Dukler根據(jù)Kelvin-Helmholz理論通過對分層流兩相動量方程的分析得出了分層流向間歇流轉(zhuǎn)換的界限為：Kokal&Stanislav通過對空氣－輕油的試驗(yàn)和理論研究，建議

、

可根據(jù)

、

由Chen式計(jì)算如下：

式中

——管壁粗糙度，m；

——相界面摩擦系數(shù)，可按下式計(jì)算

：

1.分層流－間歇流轉(zhuǎn)變Taitel＆Dukler根據(jù)Kelvin-2.間歇流－環(huán)狀流轉(zhuǎn)變

根據(jù)許多作者的試驗(yàn)研究，水平或微傾管中氣相的截面含氣率可表示為：

為氣泡的浮升速度：其中

為兩相分布系數(shù)。Nicklinetal認(rèn)為對間歇流=1.2。Hasan和Kabir的試驗(yàn)研究表明系數(shù)

在兩相流動過程中與傾斜角無關(guān)。于是對水平或微傾斜管來說，上式寫為：

2.間歇流－環(huán)狀流轉(zhuǎn)變根據(jù)許多作者的試驗(yàn)研究，水平或?yàn)殪o液中單個(gè)氣泡的浮升速度，它與管線傾角有如下關(guān)系：

為水平管中的氣泡浮升速度：

整理得間歇流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)換的界限為：其中為靜液中單個(gè)氣泡的浮升速度，它與管線傾角有如下關(guān)系

在彌散泡狀流中，有兩個(gè)力作用在氣泡上，即氣泡的浮力和液相的湍流力。浮力的作用使其向管子頂部聚集，湍流力的作用則傾向于使氣泡分散。

Levich給出液體對氣泡的湍流力可按下式計(jì)算：式中

是氣泡徑向速度脈動，可由摩擦速度

計(jì)算出來液相摩擦系數(shù)

：

氣泡的浮力為：

3.間歇流－彌散泡狀流轉(zhuǎn)變在彌散泡狀流中，有兩個(gè)力作用在氣泡上，即氣泡的轉(zhuǎn)變機(jī)理：在間歇流中，當(dāng)液相的湍流力足以克服氣泡的浮力時(shí)，氣相便被液相攜帶，以氣泡形式分散在液相中，因此間歇流向彌散泡狀流的轉(zhuǎn)換界限為則Davidson&Schuler推薦對穩(wěn)定的氣泡直徑可計(jì)算如下：

對低粘液體：

對高粘液體：

對較高粘度液體的兩相流，得間歇流向彌散泡狀流的轉(zhuǎn)換界限為：氣液兩相流-第3章-流型課件§3.4.3垂直下降管中的流型及其轉(zhuǎn)變對垂直下降管中的流型轉(zhuǎn)變，Crawford和Barnea都曾進(jìn)行過研究。在Crawfordetal．的研究中，他是將Weismanetal和Weisman&Kang的水平或上升管中兩相流型的轉(zhuǎn)換界限式進(jìn)行了一些修正后用于下降流的流型預(yù)測，其試驗(yàn)介質(zhì)為Freon113及其蒸汽，液相粘度也很低。Barnea在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)上提出了計(jì)算全范圍（一90o～90o）傾角的兩相流流型轉(zhuǎn)變的統(tǒng)一模型，但其主要試驗(yàn)基礎(chǔ)也是低粘度的兩相流體。對高粘度液體兩相流的流型轉(zhuǎn)變預(yù)測是否合適，都有待驗(yàn)證。

§3.4.3垂直下降管中的流型及其轉(zhuǎn)變對垂直下降管中的流型向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變向彌散泡狀流的轉(zhuǎn)變分離流－間歇流轉(zhuǎn)變

⑴Crawfordetal對下降流的流型轉(zhuǎn)變預(yù)測向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變⑴Crawfordetal對下降流的流型泡狀流－間歇流轉(zhuǎn)變式中

——液相單獨(dú)流過管道時(shí)單位長度的壓降絕對值，

；

——?dú)庀郌roude數(shù)，

；

——?dú)庀郖utta準(zhǔn)則數(shù)，

；

——流動方向于水平線的夾角，向上流動時(shí)為正。

泡狀流－間歇流轉(zhuǎn)變壓力的影響：影響物性－密度、粘度等溫度的影響：影響密度、粘度、表面張力等兩相流量的影響

§3.5氣液兩相流流型的影響因素

壓力的影響：影響物性－密度、粘度等§3.5氣液兩相流流（4）流動方向：垂直向下、上，水平和傾斜流動等。（5）管路幾何尺寸和形狀

大管徑不同于小管徑（1979年Tulsa大學(xué)的James.Brill等對305mm,406mm管徑進(jìn)行了研究已證明這一點(diǎn)），這是因?yàn)楣軆?nèi)粗糙度以及濕潤特性在大小管徑中的影響不一樣（即壁面對流動的影響不一樣）。

圓管、非圓管（矩形環(huán)形通道等）以及管束中的流型也不相同。（4）流動方向：垂直向下、上，水平和傾斜流動等。（6）熱負(fù)荷q的影響。（7）進(jìn)口段長度。兩相流很大程度上是非充分發(fā)展的，

因其本身高度的湍動，因此進(jìn)口影響不易恢復(fù)。（8）兩相混合方式。（6）熱負(fù)荷q的影響。

流型識別方法還不完善現(xiàn)在已發(fā)展了不少流型識別的儀器和手段，但是，由于兩相流動的復(fù)雜性和多樣性，對流型的識別還存在著很大的主觀性和隨機(jī)性，尤其是在流型轉(zhuǎn)變界限附近。

流型的分類還不統(tǒng)一流型識別上的不完善，造成了流型間概念上的模糊以及流型分類上的不統(tǒng)一和多樣化。反映在流型圖上也就使得相互間的可比性和通用性較差。因此建立完善的流型識別方法，統(tǒng)一和規(guī)范流型分類是相輔相成的，也是至關(guān)重要的。

§3.6流型研究中存在的問題

§3.6.1流型識別和流型圖

§3.6流型研究中存在的問題

§3.6.1流型識別

流型圖的研究要建立一張通用性好的流型圖，就要在流型圖上能盡量納入更多的物性參數(shù)、管路布置狀況及管路幾何尺寸的影響因素。許多研究者各自建立了不同坐標(biāo)對的流型圖。有的以質(zhì)量流速或質(zhì)量流率為坐標(biāo),有的以無量綱參數(shù)如Froude數(shù)等為坐標(biāo)。目前被最廣泛應(yīng)用的還是由Mandhaneetal.(1974)提出的以兩相折算流速為坐標(biāo)的流型圖。但正如Lin＆Hanratty(1987a)中指出的那樣，Mandhane流型圖中沒有計(jì)及管路尺寸的影響。因此確定最合適的坐標(biāo)參數(shù)，建立通用性良好的流型圖仍是一個(gè)需解決的問題。流型圖的研究由于在流型的研究中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不全面，比如對垂直下降流和傾斜流動的研究還很少，而且對除水－空氣以外的其它工質(zhì)，尤其是高粘度液體或非牛頓流體的兩相流動，以及大直徑管道中的兩相流流型研究就更少，使得半經(jīng)驗(yàn)半理論的流型轉(zhuǎn)變機(jī)理缺