气液两相流

null气液两相流气液两相流 主 讲： 谷 海 峰 学 院：核科学与技术学院 Email ： guhaifeng@hrbeu.edu.cn 2010.03课程简介课程简介学时：40 学时 学分：2.5 性质：专业基础课反应堆热工水力、核动力设备流体力学 传热学 工程热力学两相流动 与传热考核方式：考核方式： 闭卷答题+平时成绩参考教材：参考教材：《两相流与沸腾传热》，徐济鋆编，原子能出版社。 《两相流与传热》D.巴特沃思等编，陈学俊，陈听宽，曹柏林译，原子能出版社。 《两相流与沸腾传热》，鲁钟琪编，清华大学出版社。课程目录课程目录第一章 两相流基本参数及其计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 （4学时） 第二章 两相流的流型和流型图（6学时） 第三章 两相流的基本方程（4学时） 第四章 截面含气率的计算（8学时） 第五章 直管的两相流压降计算（10学时） 第六章 两相流局部压降计算（2学时） 第七章 两相临界流动（4学时） 第八章 两相流流动不稳定性（2学时）第一章 两相流基本参数及其 计算方法第一章 两相流基本参数及其 计算方法1.1 基本概念 1.2 气相介质含量 1.3 两相流的流量和流速 1.4 两相介质密度及比容1.1 基本概念1.1 基本概念1.物态：在某一条件下，物质存在的一种状态。常见的物态是气态、液态和固态。有时物态也称之为相，常见的物质三态也称为：气相、液相、固相。 判断：下列体系哪些是单相的？哪些是两相的？ 1、水和水蒸汽 4、有沙粒的小溪 2、盐水溶液 5、油水混合物 3、氢气和氮气 6、水和冰1.1 基本概念1.1 基本概念2.相：通常指某一系统中具有相同成份且物理、化学性质完全均匀部分，各相之间有明显的界面。 3.辨别单相体系与两相体系 是否系统内各部分的性质均匀 是否存在明显的相间界面 4.两相流：任意两个相组合在一起、且具有相间界面的流动体系。 null1.1.1 两相流的分类1.1.1 两相流的分类 （1）按化学成份分为 单组分两相流：同一种化学成分的物质的两种相 态混合在一起的流动，如水-水蒸汽、钠-钠蒸汽及冰 水混合物等。 双组分两相流：不同化学成分的两种物质处于同 一个系统内的流动，如空气-水，油-水，烟-气等。 （2）按流道是否存在热交换可分为 绝热两相流—无相变，无相间质量交换。如汽水 分离。 加热两相流—有相变，有相间质量交换。如沸 腾，冷凝。1.1.1 两相流的分类1.1.1 两相流的分类 （3）按两相物质所处的物态可分为 气液两相流：水和水蒸汽，水和空气 气固两相流：风沙，烟气 液固两相流：血液流动 液液两相流：两种不相溶的液体，油水混合物 1.2 气相介质含量1.2 气相介质含量1.2.1 定义 气相介质含量 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示两相流中气相所占的份额。 1.2.2 几种表示方式 1.质量含气率x 单位时间内，流过通道某一截面的两相流体总质量M中气相所占的比例份额。 式中， 、 分别表示气相和液相的质量流量，kg/s。 那么，质量含液率(湿度)可以表示为2.热力学含汽率x （干度）2.热力学含汽率x （干度） 又称为热平衡含汽率，它是由热平衡方程定义的含汽率。在有热量输入的两相流系统中，可以根据输入的热量得到汽相的含量。 （1）热力学平衡（thermodynamic equilibrium) 系统内即无压力梯度和温度梯度，且该系统内所有共存相内也无化学势梯度时的状态。满足力学平衡、热平衡和化学平衡。 （2）热平衡方程 式中，i是流道某截面上两相流体的焓值，那么 汽化潜热饱和水焓null（3）讨论 当 ，两相流动处于欠饱和态， 过冷（欠热）沸腾或单相； 当 ，两相流动处于饱和 沸腾，这时热平衡含汽率等于质量含汽率； 当 ，过热蒸汽，单相汽体。 3.容积含气率β 3.容积含气率β 指单位时间内流过某一截面的两相总容积中，气 相所占的比例份额。 式中， ， 分别表示气相和液相介质的容积流量， m3/s。那么，容积含液率（1-β） 由定义，可以推出质量含气率x与β的关系4.截面含气率α4.截面含气率α 又称为空泡份额。指两相流某一截面上，气相 所占截面与总流道截面之比。 式中， ， 分别表示气相和液相所占的流道 截面积，m2。同理，截面含液率（1-α) null是容积流量比，表示流过通道的气相容积份额； 是体积比，表示存在于通道中的气相容积份额。（1-12）（1-13）null显然，对于单组分的两相流， 在两相流动系统中，两相之间会因物性不同(如密 度)存在不同程度的滑动。引入滑速比S的概念，则两相 之间滑动的大小可以表示为1.3 两相流的流量和流速1.3 两相流的流量和流速1.3.1 几种表达式形式 1.质量流量和质量流速 总质量流量M：单位时间内流过任一横截面的气液 混合物的总质量,kg/s. 总质量流速G：又称为质量流密度，指流道单位截 面通过的质量流量,kg/m2.s. 每一相的质量流速与总质量流速的关系2.容积流量、相速度和折算速度 2.容积流量、相速度和折算速度 总容积流量：单位时间内，流过通道任一流通截面的气液混合物的总的容积，m3/s。 液相容积流量， m3/s ： 气相容积流量, m3/s ：2.容积流量、相速度和折算速度 液相真实平均速度，m/s： 气相真实平均速度, m/s：2.容积流量、相速度和折算速度 液相：气相：null 折算速度：又称容积流密度，又称为表观质量 流速（superficial flow flux）, 定义为单位流道 截面上的两相流容积流量，m/s。它也表示两相流的平 均速度。 式中，Jg为气相折算速度，表示两相介质中气相单独流 过同一通道时的速度,m/s. Jf为液相折算速度，表示两相介质中液相单独流 过同一通道时的速度,m/s.讨论讨论当气液两相无相对运动时 当气液两相存在相对运动，且 ，则 当气液两相存在相对运动，且 ，则3.漂移速度和漂移通量 3.漂移速度和漂移通量 漂移速度：各相真实速度与两相混合平均速度J的差值。 气相漂移速度： 液相漂移速度： 漂移通量：各相相对于两相混合平均速度J运动的截面 所流过的体积通量。 气相漂移通量： 液相漂移通量： 4.循环速度和循环倍率 4.循环速度和循环倍率 循环速度：与两相混合物总质量流量M相等的液相 介质流过同一截面的通道时的速度。 循环倍率：单位时间内，流过通道某一截面的两 相介质总质量与其中气相质量之比，也就是质量含气率 的倒数。 null自然循环锅炉原理对于沸腾通道，循环速度在 数值上等于上升管入口处水 的速度 。 循环倍率是指循环水流量与 蒸汽产量的比值。表示上升 管中实际产生一公斤蒸汽需 要的循环水流量几公斤 null对于自然循环蒸汽发生器，循环流速是指上升空间通道入口处饱合水的流速。 循环倍率是指循环水流量与蒸汽产量的比值。立式自然循环蒸汽发生器null 对于蒸汽发生器而言，其循环倍率是表征其二次侧流动状 态的重要参数，它对于传热管的腐蚀、流动稳定、传热特性及 分离器工作等都有重要影响。一般认为在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 状态时应大于4—4.5，其主要考虑的因素如下： 1.传热要求：为了保证管壁润湿，特别是防止局部区域出现缺液或干涸。一般要求管束进出口处的蒸汽含量不超过20%—25%，相当于循环倍率大于4。 2.流动稳定性：循环倍率低可能导致流动的不稳定，使流动产生振荡，这种流动振荡现象使传热效率下降，当流动振荡的幅度足够大时，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波动。 3.管材腐蚀：在局部滞流或低流速区，往往导致污垢沉积或浓缩。从防止腐蚀与流动的要求出发，应适当提高循环流速，以便在管板上表面及管束弯管区提高冲刷流速。 5.滑移速度和滑速比 5.滑移速度和滑速比 由于气体和液体的流速不同，在两相之间存在滑动速度(滑移速度） 气体的速度与液体的速度之比称为滑速比S 竖直上升流：竖直下降流：1.4 两相介质密度及比容1.4 两相介质密度及比容 1.两相介质密度表示方法 1）两相介质的流动密度 单位时间内流过流道某一截面的两相介质质量和 体积之比。 2）两相介质的真实密度 即单位体积内两相介质的质量，反映了存在于流 道中的两相介质的实际密度。 和 的关系： 和 的关系：1).当S=1时, , 所以，均质流动；2). 当时，S>1: ,则S<1: 则2. 两相介质的比容2. 两相介质的比容 单位时间内流过流道某一截面的两相介质体积和质量之比 1) 截面平均比容vA 2) 动量平均比容vMnull3）动能平均比容vE对比上面四种比容表达式,当S=1时，则有 ，。 null两相流特性参数的分类 (1) 流动参数： 可根据物质平衡或热平衡关系计算得到的参数 (2) 真实流动特性参数： 代表流体流动时真实流动特性的参数，这类参数与两相流体的相对运动有关，有本章小结本章小结1. 何谓两相流？ 两相流的分类？ 2. 有关含气率、速度、密度、比容定义及计算式。 3. 两相流特性参数的分类 4. 何谓热平衡？ 5. 滑速比与各参数的关系 作业：1-4null不考虑两相间的相对滑移时考虑两相间的相对滑移时第五章 直管的两相流压降计算 第五章 直管的两相流压降计算 序序 两相流流动压降计算的重要性 两相流流动压降计算的局限性 本章主要内容 1. 两相流摩擦压降的计算模型； 2. 影响两相流摩擦压降的主要因素； 3. 重位压降和加速压降的计算； 4. 环状流动的压降计算。null两相摩擦压降单相摩擦压降折算因子计算模型均相流模型分相流模型方法、 经验公式重点 难点重点 难点5.2 均相流模型的摩擦压降计算 5.2 均相流模型的摩擦压降计算 一.均相流模型计算法两相摩擦压力梯度 对于圆管，控制体周界长度(m)： 通流面积(m2)： 流体与壁面的摩擦剪应力(N/m2)：null全液相摩擦压力梯度 与两相流总质量流量相同的液体流过通道时的压力梯度 全液相摩擦压降 梯度单相水的摩阻系数一般按布拉修斯（Blasius） 公式计算null全液相折算系数的求解全液相折算系数（1）令null两相平均粘度μ满足以下边界条件（2）平均粘度法把两相流体看作一种特殊的单相流体， 采用平均粘度来计算两相流体的等效摩阻系数null麦克达姆（Mecadam）计算式，应用最广 西克奇蒂（Chcchitti）计算式 德克勒（Dukler）计算式 代入（5-8）式班可夫（Bankoff）计算式 null计算 的步骤总结 1.求 (1) (2) 2.求 3.求null1.绝热、长度L的圆管内， 两相流动摩擦压降 2.非绝热 均匀加热 正弦加热计算管长为L的一段圆管内的摩擦压降null例题：设油气混合物在一内径为40mm的水平直管内流动，试按均相流模型计算两相摩擦压降梯度。 已知油气混合物的参数为： 解：（1）全液相摩擦压降梯度全液相摩阻系数：（2）全液相折算系数（3）油气两相摩擦压降梯度null例：已知一均匀受热的试验段长为3.66m，管子内径为0.16mm，进口水温为204oC,压力为6.89MPa,试验段直立布置，管子进口水流量为0.108kg/s，加热功率为100KW，试用均相模型计算试验段内的摩擦阻力压降。 已知：压力为6.89MPa下 饱和水焓为1.26MJ/kg, 入口水焓值为0.872MJ/kg. 入口水比容为1.165×10-3m3/kg, 饱和水的比容为1.35×10-3m3/kg， 蒸汽比容为2.78×10-2m3/kg. 入口水的动力粘度为1.35×10-4N.s/m2, 饱和水的动力粘度为0.972×10-4N.s/m2, 蒸汽动力粘度为0.19×10-4N.s/m2。null解：由于入口水的焓值低于饱和水的焓值，因此入口为欠饱和水。则试验段内的摩 擦阻力压降应由单相水的摩擦阻力压降和气液两相摩擦阻力压降两部分组成。1.单相水的摩擦阻力压降（1）根据热平衡方程，定出预热段长度，即单相水段的长度由于沿管长均匀加热，因此null（2）单相水摩擦阻力系数（3）单相水摩擦阻力压降null2. 汽水混合物管段的摩擦阻力压降（1）全液相摩擦压降梯度（2）全液相折算系数（3）气液两相摩擦阻力压降null3. 按均相流模型法计算得到的试验段内摩擦阻力压降null 同样，也可以以气相摩擦压降计算为基础，计 算两相摩擦压力梯度。 全气相折算系数可定义为全气相摩擦压降 梯度二.前苏联锅炉水动力计算标准方法二.前苏联锅炉水动力计算标准方法 K-绝对粗糙度；碳钢、珠光体钢K=0.08mm; 不锈钢K=0.01mm。null1950年水平管：偏差20%，垂直管：偏差较大用于计算气液两相流1978年1961年null(2)均匀加热 1)入口饱和水，出口xe<1; 2)入口x1，出口x2。查图5-1(a)绝热流动 x=const, ψ查图5-1(b)null 3) 的查图确定法 查图的已知条件: x,P,G. 计算： 判别: 当P<17.64MPa时，按左行路线在纵坐标上查 当P>17.64MPa时，按右行路线在图右边中间 下边横坐标上查 值.null图5-1(a) 加热管null图5-1(b) 不加热管四.我国电站锅炉水动力计算方法四.我国电站锅炉水动力计算方法ψ—摩擦压降修正系数，null摩阻系数修正系数Ψ 按以下进行计算 ⑴当 时： (2)当 时： (3)当 时：使用条件：1)非绝热：2)绝热两相流：x=const5.3 分相流模型的摩擦压降计算5.3 分相流模型的摩擦压降计算洛克哈特－马蒂内里(L-M)关系式 1.L-M法的基本假设 (1)两相之间无相互作用，气相压降等于液相压降，且沿 管子径向不存在静压差； (2)液相所占管道体积与气相所占管道体积之和等于管道 的总体积。 根据以上假设，各相的压降梯度彼此相等，且等于两相 流摩擦压降梯度。 液相部分压降梯度气相部分压降梯度null液相部分的压降梯度可表示为 式中： —表示液相所占截面的当量直径，m； —表示液相部分摩阻系数。 气相部分的压降梯度可表示为 式中： —表示气相所占截面的当量直径，m； —表示气相部分摩阻系数。2.摩擦压降梯度关系式2.摩擦压降梯度关系式分液相折算系数 分气相折算系数 分液相摩擦压降梯度分气相摩擦压降梯度null 和 分别表示液相和气相单独流过同一 管道时的摩阻压降梯度。 表达式分别为 式中， —分液相摩阻系数; —分气相摩阻系数.null(1) 和 计算式的推导同理可得:null洛克哈特-马蒂内里参数Χ null(2).分相流态的判别 分组原则是看各相单独流过相同管径管子时是 层流还是紊流而定。 层流-层流（ll） 紊流-层流（tl） 层流-紊流（lt） 紊流-紊流（tt） null(3).不同流态下Martinelli参数的计算null对于t-t工况：null对于l-l工况：同理，可以求出二.奇斯霍姆关系式 二.奇斯霍姆关系式 奇斯霍姆（Chisholm）把管内两相流摩擦压力 梯度表示成两相混合物“实际动压头”有关的表达式 null其中 奇斯霍姆推荐的系数C值列在下表中。 null奇斯霍姆法计算摩擦压降梯度的步骤：计算分相Re数，判断组合工况，确定C值; （ll，lt, tl, tt ) 计算分液相摩阻梯度和分气相摩阻梯度； 3. 计算马蒂内里参数Χnull4.计算分液相折算系数或分气相折算系数 5.计算两相摩阻压降梯度或或nullL-M方法和奇斯霍姆方法的应用条件1、实验压力：0.11—0.35MPa 2、实验介质：空气和水、空气和油 上节内容回顾上节内容回顾L-M方法：Chisholm方法：三.马蒂内里-纳尔逊关系式（M-N）三.马蒂内里-纳尔逊关系式（M-N）1.基本假设 (1).流动工况：湍流-湍流（t-t）型； (2).流场中任意点均处于热力学平衡； (3).L-M法基本思想也适用于单组分两相流(沸腾工况) 2.摩擦压力梯度的计算 (1). 和 的计算(2). 压力效应的考虑(2). 压力效应的考虑对于水工质，在临界压力Pcr=22.12Mpa时 两相流可作为单相流处理 此式为单组分两相混合物在Pcr下必须满足的条件。3. M-N法关系曲线3. M-N法关系曲线（1）绝热流动 a. P=Pcr时，取n=0.25b. P=0.1MPa,取n=0.25，用L-M法（5-45）式c. 中间压力，采用内插法决定。nullnull（2）均匀加热入口饱和水，出口xe<1对于汽水系统，其积分结果示于图5-4。 nullnull植田辰洋为M-N法提供拟合关系式当 时，上式可用下列近似公式代替：5.4 影响两相流摩擦压降的主要因素5.4 影响两相流摩擦压降的主要因素一.压力P的影响 对于水，Pcr=22.12Mpa P=Pcr , P2000 kg/m2.s , 采用均相流模型（如前苏联 水动力标准方法) 巴罗塞方法：nullnullnull 2. 巴罗塞方法 优点: (1).适用于液态金属，如Na,K,F-22,汞等； (2).计算精度高。 缺点： 只有曲线，使用很不方便。 3. 巴罗塞奇斯霍姆拟合关系式 奇斯霍姆在研究巴罗塞曲线的基础上，给出了有关的拟合关系式。即 K值适用于 当G≤2000kg/m2.s5.5 重位压降计算 5.5 重位压降计算 一.均相流模型的重位压降 1. 绝热流动2.均匀加热2.均匀加热 均相流模型主要用于低质量含气率x、高质量流速G的情 况。一些文献建议，只要符合下列条件之一，便可考虑采用均 相模型，即 但是，当液相粘度 时，建议不采用均相 模型。X 沿途呈线性分布，当入口：饱和水；出口：Xe<1二. 分相流模型的重位压降计算二. 分相流模型的重位压降计算 真实密度 与含气量和加热方式有关。 1.绝热流动 2.均匀加热5.6 加速压降计算5.6 加速压降计算均相模型 1.绝热流动 2.加热流动 入口为饱和水 出口Xe<1 入口为X1，出口X2 二.分相流模型的加速压降二.分相流模型的加速压降 1.入口X1,出口X2 2.入口饱和水，出口Xe<1积分5.7 环状流动的压降计算5.7 环状流动的压降计算一. 气流中没有夹带液滴的环状流动 假设： (1) 两相完全分开 (2) 气液界面光滑或波动 1.连续性方程（ ） 气相： 液相: 气液两相总的容积流量：null2.动量方程 推导过程： (1)对于一微段，如果忽略进出口的动量变化，且为 一元流动 (2)沿流动方向，分别对气相和液相列出力平衡方程 气相： 液相： (3)简化、整理得出液膜内切应力分布方程null在管壁处：Y=0管壁对流体的切应力为：液膜内流体的切应力方程：null3.液膜内流速分布和液膜流量 (1) 液膜内速度分布方程 (2) 液膜流量 若null(3)液膜厚度 (4)截面含气率null4.环状流摩阻压降梯度 根据界面状况可分为界面光滑和界面波动两种情况 (1) 环状流摩阻压降梯度推导过程 1)以气流核心为研究对象，给出气流核心摩阻梯度 2)根据L-M法计算两相摩阻梯度公式 3)给出分气相折算系数表达式为环状流分气相折算系数与截面含气率的一般关系式，也适用于夹带环状流null 的计算 气液界面上的剪应力来源于气流与液膜的速度差： 分气相剪应力： 通常，null 的计算 a.光滑环状流 气液界面比较光滑时，则 适用于分液相折算系数 ，当液膜流速 较高时，气液界面出现波动，λi将显著高于按光滑管估 计的数值，因此，按照上式计算得到的 偏低。nullb.波动环状流 当液相速度较高时，由于液膜的紊流流动引起了 液膜脉动振动，从而出现波动界面，此时 Wallis建议 null二.雾环状流动 1.假设： (1)气流核心为气相和液滴的均匀混合物 (2)液膜速度呈线性，界面上切应力来源于气流与液 膜的速度差。 2.分析雾环状流 与 的关系null引入窜流比E概念 窜流比（夹带率）=气流中夹带的液相流量/液相总流量夹带液相流量：液膜流量：null气流核心流量：气流核心混合物密度：低压下，nullnull3. 窜流比E的确定 (1)影响E的因素 ① 液膜流速 通常用Rel来描述液相流量对液膜波动的影响 ② 气相流速 通常用无因次量 来表征气流对液膜卷吸作用 (2)wallis-steen试验结果 通过实验研究认为 ① Rel<200时， 较低，即使气相流速很高，也几 乎没有携带，E=0; ② 当2003000 或无因次液相速度 时， 液膜处于完全紊流中 Wallis通过试验给出了E与 的关系 其中 a.当 时， b.当 时，null4. 补充方程5. 计算程序 例题 已知：气-水混合物向上流过内径为30mm垂直管，求：null计算过程 1.计算迭代初值 (1).求jg、jf (2).求Rel、Reg、判别流态 (3).求 (4).求 (5).求 (6).求 2.求窜流比E 3.求液膜的分液相摩阻梯度 (1).液膜流量 (2).液膜的分液相雷诺数null (3).液膜流量的分液相摩阻系数 (4).液膜摩阻梯度 4.液膜流量的分液相折算系数 5.利用补充方程求 和 6.求 和 7.返回到第4步，进行迭代计算 8.判别：最后的压降梯度值与前一次的压降梯度差值小于容许误差，迭代结束。本章小结本章小结1.基本概念 2.直管中压降计算(摩擦、重位、加速) 3.摩擦压降计算（均相、分相模型） 4.重位压降和加速压降计算 5.什么叫窜流比，影响E大小的因素有哪些，如何影响？ 6.雾环状流 的计算程序 第七章 两相临界流动 第七章 两相临界流动 主要内容: 1.两相临界流特征及判断临界流动的判据； 2.掌握运用平衡均相模型，福斯克模型求 解临界质量流速的方法； 3. 短孔道内亚稳态流动。null二. 单相临界流上游条件：Po,to 下游条件：Pb(1)Po=Pb ,没有流动；(2)Pb