1、多相流及其應(yīng)用1.兩相與多相流的定義與分類在物理學(xué)中物質(zhì)有固、液、氣和等離子四態(tài)或四相.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).氣體和液體屬于連續(xù)介質(zhì),也稱連續(xù)相或流體相.固體顆粒、液滴和氣泡屬于離散介質(zhì),也稱分散相或顆粒相.流體相和顆粒相組成的流動(dòng)叫做兩相流動(dòng).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

2、以兩相流最為普遍.(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)如水一水蒸氣的汽液兩相流和雙組分工質(zhì)如空氣一水氣液兩相流兩類,前者汽、液兩相都具有相同的化學(xué)成分,后者那么是兩相各具有不同的化學(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.雙組分氣液兩相流那么一般在流動(dòng)中不會(huì)發(fā)生相變.自然界中如下雨時(shí)的風(fēng)雨交加,湖面和海面上帶霧的上升氣流、山區(qū)大氣中的云遮霧罩.生活中沸騰的水壺中的循環(huán),啤酒及汽水等夾帶著氣泡從瓶中注人杯子的流動(dòng)等都屬于氣液兩相流.現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中廣泛應(yīng)用著氣液兩相流與傳熱的原理和技術(shù),如鍋爐、核反響堆蒸汽發(fā)生器等汽化裝置,石

3、油、天然氣的管道輸送,大量傳熱傳質(zhì)與化學(xué)反響工程設(shè)備中的各種蒸發(fā)器、冷凝器、反響器、蒸儲(chǔ)塔、汽提塔,各式氣液混合器、氣液別離器和熱交換器等,都廣泛存在氣液兩相流與傳熱現(xiàn)象.(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.空氣中夾帶灰粒與塵土、沙漠風(fēng)沙、飛雪、冰雹,在動(dòng)力、能源、冶金、建材、糧食加工和化工工業(yè)中廣泛應(yīng)用的氣力輸送、氣流千燥、煤粉燃燒、石油的催化裂化、礦物的流態(tài)化焙燒、氣力浮選、流態(tài)化等過程或技術(shù),都是氣固兩相流的具體實(shí)例.嚴(yán)格地說,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

4、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.在流體力學(xué)中,盡管流體分子間有間隙,但人們總是把流體看著是充滿整個(gè)空間沒有間隙的連續(xù)介質(zhì).由于兩相流動(dòng)研究的不是單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)特性,而是大量顆粒的統(tǒng)計(jì)平均特性.雖然顆粒的數(shù)密度(單位混合物體積中的顆粒數(shù))比單位體積中流體分子數(shù)少得多,但當(dāng)懸浮顆粒較多時(shí),人們?nèi)钥稍O(shè)想離散分布于流體中顆粒是充滿整個(gè)空間而沒有間隙的流體.這就是常用的擬流體假設(shè).(3)液固兩相流液體和固體顆?；旌显谝恍┕餐鲃?dòng)稱液固兩相流.自然界和工業(yè)中的典刑實(shí)例有夾帶泥沙奔流的江河海水,動(dòng)力、化工,采礦、建筑等工業(yè)工程中廣泛使用的水力輸送,礦漿、紙漿、泥漿、膠槳等漿液

5、流動(dòng)等.其它像火電廠鍋爐的水力除渣管道中的水渣混合物流動(dòng),污水處理與排放中的污水管道流動(dòng)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)稱液液兩相流.油田開采與地面集輸、別離、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、液體和固休顆?；旌显谝黄鸬牧鲃?dòng)稱氣液固三相流.氣體與兩種不能均勻混合、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?；旌显谝黄鸬墓餐鲃?dòng)稱為液液固三相流.氣比情爐,化工設(shè)備反響堆工冷用.凝汽器,油熔光器.T$三喊霧*八

6、水壺與睥舊瘠海句刪界曲曼城下冏與下霧-符桁等的渣體煤粉燃燒摳,氣動(dòng)相迭.液化床流化味.泥蒙狀圖1兩相流的范圍相都界面固定2,兩相流的研究和處理方法與普通流體動(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?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(波爾茲曼)方程和統(tǒng)計(jì)平均概念及其理論,建立兩相流中各相的根本守恒方程.宏觀分析法,就是以連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為根底,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,建立兩相流的根本方程組,再利用這些兩相流根本方程組去研究分析各種具體的兩相流

7、問題.在許多實(shí)際問題中,我們所關(guān)心的不是單個(gè)物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)而是大量粒子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的總結(jié)果,也就是所謂的宏觀量,如壓強(qiáng)、密度、溫度、平均流速等.從宏觀觀點(diǎn)分析兩相流的方法又可以分為3類.模型法即假定相互擴(kuò)散作用是連續(xù)進(jìn)行,其根本觀點(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)量速度中央移動(dòng),相間相互擴(kuò)散作用反映在模型內(nèi).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,根本方法是：(1)認(rèn)為流動(dòng)是一維的；(2)對(duì)一個(gè)有限容積寫出質(zhì)量、動(dòng)量和能量守衡方程；(3)守衡方程即可按混合物寫出,也可按單獨(dú)相列出.平均法假

8、定過程處于平衡狀態(tài),用平均的守衡方程進(jìn)行描述,類似低通濾波的方法.上述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).3.兩相與多相流的專用術(shù)語與根本持性參數(shù)一般用下角標(biāo)1和2分別表示兩相流中的兩種相或組分,對(duì)液一氣兩相系統(tǒng)用下角和g區(qū)分,對(duì)流體一固體兩相系統(tǒng)用下角標(biāo)f和s區(qū)分.通常選定組分或相2為分散相或?yàn)榉謱恿鲃?dòng)中的輕相.3.1 質(zhì)量流量、質(zhì)量流速和質(zhì)量相含率(相分?jǐn)?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,各相的質(zhì)量流量分別用W1和W2表示,所以有W=W1+W2(kg/s)質(zhì)量

9、流速是單位流通截面積上的質(zhì)量流量,用G表示,如流道的總流通截面積為A,各相所占的流通截面積分別為Ai和A2,那么有G=W/AGi=Wi/AG2=W2/A各相質(zhì)量流量與總質(zhì)量流里之比稱為質(zhì)量相含率或質(zhì)量相分?jǐn)?shù).在氣液兩相流系統(tǒng)中,氣體的質(zhì)量相含率俗稱為質(zhì)量含氣率或干度,用x表示；液體的質(zhì)量相含率俗稱為質(zhì)量含液率.氣液兩相流的質(zhì)量含氣率與質(zhì)量含液率之和是1,所以有X=Gg/G=Wg/W1-x=G|/G=WI/W3.2 容積流量、容積流速和容積相含率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.兩相流總的容積流量同樣是各相容積流量Q1和Q2之和,即Q=Q1+Q2=(W1/p1+W2/

10、p2)容積流速是單位流通截面積上的容積流量,又稱折算速度,是容積流量除以通道總流通面積A,用J表不.J=Q/A=(Q1+Q2)/A=J1+J2J1=Q1/A=W1/(pA)J2=Q2/A=W2/(p2A)各相的折算速度在兩相流中是十分重要并常用的一個(gè)術(shù)語和參數(shù),它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,用3表示,液相的容積相含率稱為容積含液率.3.3 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.用vi表示i=1, 2,或i=l,g,為

11、氣液兩相流；i=f,s為流體一固相兩相流.Vi=Qi/Ai3.4 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,用表示.而液相所占截面積與總流通截面積之比稱為截面含液率,用1-“表示.即；x=Ag/A1-x=Ai/A3.5 滑動(dòng)比、滑移速度、漂移速度和漂移流率兩相流中各相真實(shí)速度的比值稱為滑動(dòng)比.氣液兩相流的滑動(dòng)比用S表示,是氣相真實(shí)速度與液相真實(shí)速度之比S=Vg/vl滑移速度是指兩相流各相真實(shí)速度的差,用Vs表示Vs=vg-Vl=Jg/a-Jl/1-a漂移

12、速度是指輕相如氣相速度與兩相混合物平均速度VH之差,用VD表示VD=Vg-VH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.jD表漂移流率是指滑移速度Vs的式兩邊乘以通分后的分母項(xiàng),消去分母后的等式,用示,有jD=(Vg-Vl)a(1-a)=Jg(1-a)-Jla3.6兩相混合物的密度與比容兩相流體的密度有兩種表示法：(1)流動(dòng)密度.指單位時(shí)間內(nèi)流過截面的兩相混合物的質(zhì)量與容積之比,即p0=W/Q(2)真實(shí)密度.指流動(dòng)瞬間任一流動(dòng)截面上兩相流混合物的密度,用pm表示,定義如下:pm=a+(1-a)pm由截面含氣率a與容積含氣率3及滑移比S各自的定義可推得：11S-1顯然當(dāng)S=1,即Vg

13、=Vl,兩相間無相對(duì)速度時(shí),a=3流動(dòng)密度才等于真實(shí)密度.比容是密度的倒數(shù),因此,兩相混合物的比容為：1流動(dòng)比容V0；g(1)l1真實(shí)比容Vmg(1)l4 .氣液兩相流的流型和流型圖4.1 垂直上升管中的氣液兩相流流型及其流型圖氣液兩相流在垂直管中上升流動(dòng)時(shí)的幾種常見流型.234圖2垂直上升管中的淞型1一細(xì)泡狀i2一氣彈狀i3一塊狀；4f纖雉的環(huán)狀+5環(huán)狀(1)細(xì)泡狀流型細(xì)泡狀流動(dòng)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.直徑在1mm以下的氣泡是球形的.直徑在1mm以上的氣泡外形是多種多樣的.(2)氣彈狀流型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.在兩氣彈

14、之間夾有小氣泡而氣彈與管壁之間存在液膜.(3)塊塊流型當(dāng)管內(nèi)氣速增大時(shí),氣彈發(fā)生分裂形成塊狀流型.此時(shí)大小不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.管子核心局部主要是氣體,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,管子核心局部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).在受熱管道中,當(dāng)管壁溫度高到足以使管壁液膜汽化時(shí),流動(dòng)結(jié)構(gòu)就會(huì)開展到壁上無液膜,只有氣相中還含有細(xì)小液滴的霧狀流型.圖3表示有單組分氣液兩相流體在垂直上升受熱管中的流型和管壁熱流密度的關(guān)

15、系.在圖中,溫度低于飽和溫度的液體以固定流量進(jìn)入各受熱管.各受熱管的熱流密度依次自左向右逐漸增加.由圖3可見,隨著熱流密度的增大,各管中的沸騰點(diǎn)逐漸移向管子進(jìn)口,各管中的流型也逐漸由單相液體、細(xì)泡狀流型、氣彈狀流型、塊狀流型、環(huán)狀流型、霧狀流型一直開展到干飽和蒸汽和過熱蒸汽流動(dòng).在氣液兩相流中,在兩相流量、流體的物性值密度、粘度、外表張力等、管道的幾何形狀,管道尺寸以及熱流密度確定的條件下,要判斷管內(nèi)氣液兩相流的流型可應(yīng)用流型圖.流型圖主要是根據(jù)試驗(yàn)資料總結(jié)而成的,因而應(yīng)用流型圖時(shí)不應(yīng)超出獲得該流型圖的試驗(yàn)范圍.圖3受熱垂直上升營中沸騰時(shí)的兩相流流型隨熱流密度增m而變化的示意用L一汽泡狀沸騰開

16、始戰(zhàn)；2一汽泡狀沸騰終止線33一蒸十線*4一過熱蒸氣線在判斷垂直上升的流型圖中,圖4所示的流型圖得到較為廣泛的應(yīng)用.此圖適用于空氣一水和汽一水兩相流,是在管子內(nèi)徑為31.2mm的管子中用壓力為0.14-0.54MPa的空氣一水混合物為工質(zhì)得出的,此圖和應(yīng)用壓力為3.45-6.9MPa的汽水混合物在管徑為12.7mm管子中得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符良好,所以也可適用于上述參數(shù)的汽水混合物.圖中橫坐標(biāo)為腳pLJ2L縱坐標(biāo)為pGJ2G可分別按以下兩式計(jì)算:,2G21X2LJL1.IO2IO3IO4I0310*圖4垂直上升管流型圖4.2 垂直下降管中的氣液兩相流流型及其流型圖在垂直管中氣液兩相一起往下流動(dòng)時(shí)的

17、流型示于圖5.圖5垂直下降管中的氣液兩相流流型1一細(xì)他狀皰型；2氣彈狀流型；3一下降液膜流型；4一帶氣泡的下降液膜流型；5-塊狀流型.6-寓式環(huán)狀流型這些流型是由空氣一水混合物的試驗(yàn)結(jié)果得出的.在氣液兩相做下降流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流型和上升流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流型不同.前者的細(xì)泡集中在管子核心局部,而后者那么散布在整個(gè)管子截面上.如液相流量不變而使氣相流量增大,那么細(xì)泡將聚集成氣彈.下降流動(dòng)時(shí)的氣彈狀流型比上升流動(dòng)時(shí)穩(wěn)定.下降流動(dòng)時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)有幾種流型,在氣相及液相流量小時(shí),有一層液膜沿管壁下流,核心局部為氣相,這稱為下降液膜流型.當(dāng)液相流量增大,氣相將進(jìn)人液膜,這稱為帶氣泡的下降液膜流型,當(dāng)氣液兩相流量

18、都增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)塊狀流型.在氣相流量較高時(shí)能開展為核心局部為霧狀流動(dòng),壁面有液膜的霧式環(huán)狀流型.圖6示出的是作下降流動(dòng)的氣液兩相流流型圖.該圖是以空氣和多種液體混合物作試驗(yàn)得出的,試驗(yàn)管徑為25.4mm,試驗(yàn)壓力為0.17MPa.101£wr10總NL#10©圖6垂直F降管流型圖1細(xì)泡狀流型；2氣彈狀流型3一下降液膜流型.4一帶氣泡的下降液膜流型；5-塊狀流型；6霧式環(huán)狀流理圖6選用Fr/JY作橫坐標(biāo),用、廠作縱坐標(biāo).FrGgD13;丫為液相物性系數(shù),Yl一液相動(dòng)力粘度Pas;w20C,0.1MPa時(shí)水的動(dòng)力粘度Pas;L一液相密度kg/m3;w20C,0.1MPa時(shí)水的密度

19、kg/m3;一液相外表張力N/m;w20C,0.1MPa時(shí)水的外表張力N/m4.3 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.氣液兩相流體在水平管中流動(dòng)時(shí)流型大致可分為6種,即：細(xì)泡狀流型、氣塞狀流型、分層流型、波狀分層流型、氣彈狀流型及環(huán)狀流型.圖7中有這6種流型的示意圖.1產(chǎn)吟與京村2圖7水平管中的氣液兩相流流型1細(xì)泡狀流型*N氣塞狀漉型：3分層流擲；4一波狀分層流型.5-氣彈狀端型；1環(huán)狀流型在細(xì)泡狀流型中,由于重力的影響,細(xì)泡大都位于管子上部.當(dāng)氣體流量增加時(shí),小氣泡合并成氣塞形成氣塞

20、狀流型.分層流型發(fā)生于氣液兩相的流量均小時(shí)甲此時(shí),氣液兩相分開流動(dòng),兩相之間存在一平滑的分界面.當(dāng)氣相流量較高時(shí),兩相分界面上出現(xiàn)流動(dòng)波,形成波狀分層流型.氣相流量再增大會(huì)形成氣彈狀流型,但此時(shí)氣彈偏向管子上部.當(dāng)氣相流量很高而液相流量較低時(shí)就出現(xiàn)環(huán)狀流型.水平管中的氣液兩相流流型也可按相應(yīng)的流型圖確定.在現(xiàn)有的各種水平管流型圖中,Baker流型圖建立最早且得到廣泛應(yīng)用,特別在石油工業(yè)和冷凝工程設(shè)計(jì)中.圖8所示為坐標(biāo)經(jīng)過改良后的Baker流型圖.圖8改良后的Baker流型同橫坐標(biāo)為JL,縱坐標(biāo)為JG/入.其中JG、JL分別為氣相及液相的折算質(zhì)量流速；系數(shù)入和中值與流體的物性有關(guān).5 .界面現(xiàn)象

21、5.1 概述兩相與多相流中另一個(gè)最根本最顯著的特征是混合物系統(tǒng)中存在明確的相界面,并且伴隨著混合物的流動(dòng),這些相界面的狀態(tài)、形狀也處于不斷的運(yùn)動(dòng)或變化開展中.相界面是指將兩種不同相的物質(zhì)分隔開的區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)的特征和性質(zhì)不同于相鄰的區(qū)域.界面的鄰近區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的密度和濃度均有顯著的差異,在接近兩相分隔的臨界點(diǎn),密度在與界面相垂直的方向上是位置的連續(xù)函數(shù).也就是說界面是一個(gè)三維區(qū)域,其厚度可能有幾個(gè)分子直徑大小或者更厚一些,這已經(jīng)為統(tǒng)計(jì)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果所證實(shí).所謂界面現(xiàn)象,是指與相界面上的動(dòng)量、能量和質(zhì)量傳遞相關(guān)的所有效應(yīng).許多物理、化學(xué)作用都發(fā)生在外表和界面上,例如沸騰和凝結(jié)的狀態(tài)會(huì)因界面

22、上存在即便是極少量的雜質(zhì)而發(fā)生明顯的改變,泡沫的穩(wěn)定性、湖面的波度以及鏡體外表的汽水霧罩等現(xiàn)象都是發(fā)生在界面上的物理、化學(xué)變化.5.2 速度邊界條件如果不考慮相變或傳質(zhì)、速度相容性在單組分和雙組分的兩相流動(dòng)中都是相同的.但在有相變時(shí),就可能在界面上存在一有限的速度跳躍.流體流經(jīng)界面必須滿足連續(xù)性條件,如果密度有變化那么速度也會(huì)有變化.囚此,相對(duì)于圖9所示的相界面,在平行和垂直相界面的兩個(gè)方向上都必須滿足如下的相容性條件：1%-外相IL-九圖9界面上的速度邊界條件(1)連續(xù)切向速度要求V1t=v2t(2)穿透相界面的連續(xù)性要求piVin=p2V2n=m式中：m表示垂直通過相界面的流體質(zhì)量流量.通

23、過相變過程中的平均連續(xù)速度被假設(shè)為垂直于相界面的.如果界面還正在移動(dòng)、就將界面的移動(dòng)速度簡(jiǎn)單地疊加到上述速度上去.5.3 應(yīng)力邊界條件外表張力是界面上每單位面積的自由能,即形成一單位外表積所需外界做的功,由于將物質(zhì)分子從體相內(nèi)移動(dòng)到外表區(qū)是要克服分子間的吸力而做功的.也可以把外表張力想象為外表作用在每單位長度截線上的力.界面穩(wěn)定存在的必要條彳是外表張力大于0,如果小于0,那么偶然的漲落就可導(dǎo)致外表區(qū)不斷擴(kuò)大,最后使一種物質(zhì)完全分散到另一種物質(zhì)中,兩種氣體之間混合的情況就是這樣.通過界面的應(yīng)力場(chǎng)的連續(xù)性因外表張力效應(yīng)而改變.如果外表張力是均勻的,那么通過界面的剪切應(yīng)力也是連續(xù)的.但雜質(zhì)、灰塵或外

24、表活性劑的存在、或那么沿界面的溫度梯度等都會(huì)引起外表張力梯度的形成.這種情況下,通過界面的剪切應(yīng)力存在一等于外表張力梯度的突增量.6,兩相流根本數(shù)理模型兩相流中各相在空間和時(shí)間上隨機(jī)擴(kuò)散,同時(shí)存在動(dòng)態(tài)的相互作用.對(duì)于這種復(fù)雜的二維兩相瞬態(tài)問題,完整的解析解目前還無法導(dǎo)出.人們先后提出了多種數(shù)理模型,從最簡(jiǎn)單的均相流模型一直到最復(fù)雜的雙流體模型.6.1 均相流動(dòng)模型(HomogeneousFlowModel)均相流動(dòng)模型把氣液兩相混合物看作是一種均勻介質(zhì),相間沒有相對(duì)速度,流動(dòng)參數(shù)取兩相相應(yīng)參數(shù)的平均值.在此根底土,可將兩相流視為具有平均流體特性的單相流對(duì)待.在均相模型中采用了兩個(gè)根本假設(shè)：(1

25、)兩相間處于熱力學(xué)平衡狀態(tài),即兩相具有相同的溫度并且都處于飽和狀態(tài)；(2)氣液兩相的流速相等,即為均勻流.其數(shù)學(xué)表達(dá)式及守恒方程如下：UG=UL=UHS=ug/ul=1在通道微元段z上的動(dòng)量守恒方程為:wPpAPp為通道圓周動(dòng)量增加率=動(dòng)量流出率-動(dòng)量流入率+動(dòng)量存積率=作用于限制體的力之和G1G2A/hp.ghsintAzz對(duì)于等截面通道的穩(wěn)定流動(dòng),這個(gè)方程簡(jiǎn)化為dpdzwPpdG/HAdzgHsin能量方程并不直接用于壓降的計(jì)算,主要用來計(jì)算絕熱流動(dòng)中的局部干度,能量守衡方程為：能量流人率=能量流出率+能量存積率,eeqPqp、,、口,一,八化簡(jiǎn)后huqve單位質(zhì)量流體的對(duì)流傳熱熱能tzA

26、t實(shí)際上氣液兩相的流速并不相等,只有在高含氣量或很小含氣量時(shí)兩相流速才近似相等,因此這一模型實(shí)際上只適用于泡狀流和霧狀流.從前人的研究中可以看出,均相模型的計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)值有較大出人,偏差隨質(zhì)量流速的減小而增大.這種偏差的存在是由于均相模型假設(shè)兩相之間沒有速度差異.當(dāng)質(zhì)量流速較小時(shí),浮力效應(yīng)顯著,引起兩相速度間相當(dāng)大的差異；而質(zhì)量流速較大時(shí),液相湍動(dòng)的結(jié)果使得兩相的混合更加均勻,因此質(zhì)量流速增大時(shí)偏差減小.6.2 分相流動(dòng)模型(SeparatedFlowM0del)分相流動(dòng)模型是將氣、液兩相都當(dāng)作連續(xù)流體分別來處理,并考慮了兩相之間的相互作用.其根本假設(shè)是：(1)兩相間保持熱力學(xué)平衡；(2)氣

27、液兩相的速度為常量,但不一定相等.假定氣液兩相都以一定的平均速度在流道中流動(dòng).分相流動(dòng)模型在一定程度上考慮了兩相間的相互作用,計(jì)算結(jié)果比均相模型理想.當(dāng)兩相平均流動(dòng)速度相等時(shí),分相流動(dòng)即可轉(zhuǎn)化為均相模型.因此可將均相模型視為分相模型的一個(gè)特殊情況.分相流動(dòng)模型適用于兩相間存在微弱耦合的場(chǎng)合,如分層流和環(huán)狀流.分相流動(dòng)的根本方程推導(dǎo)如下:先寫出每一相的各個(gè)守恒方程,然后將每一組的守恒方程進(jìn)行合并,成為混合物的總平衡方程這也是在確定壓降時(shí)被人們廣泛采用的分析方法.連續(xù)性方程,也就是質(zhì)量守恒方程的數(shù)學(xué)式為L1uLAz一L1zuLAGezuLAGe是單位長度上液體轉(zhuǎn)化為氣體的轉(zhuǎn)化率.分相流動(dòng)模型的動(dòng)量

28、守衡方程同樣可以從各相的動(dòng)量方程導(dǎo)出,混合物動(dòng)量方程p_wppgtpSin一l1UlzAtGUG1U22Ug分相流動(dòng)模型的兩相能量守恒方程式為:A-LhL1HhGGAhLxrqPpqvA2x22.2G一一21x2gGAsinG6.3 漂移模型(Drift-FluxModel)這一模型主要由Zuber等人提出.它是在熱力學(xué)平衡的假設(shè)下,建立在兩相平均速度場(chǎng)根底上的一種模型.漂移模型提出了一個(gè)漂移速度的概念,當(dāng)兩相流以某一混合速度流動(dòng)時(shí),氣相相對(duì)于這個(gè)混合速度有一個(gè)漂移速度,液體那么有一個(gè)反向的漂移速度以保持流動(dòng)的通過附加的氣相連續(xù)方程來描連續(xù)性.在守恒方程組中將相間相對(duì)速度以漂移速度來考慮,寫氣液兩相流動(dòng).6.4 兩流體模型(TwoFluidModel)由于各相的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)不完全相同或濃度分布不均勻,氣、液兩相的運(yùn)動(dòng)存在相當(dāng)大的差