1、學(xué)校代碼: 學(xué) 號：201211000化工多相流傳遞課程論文專 業(yè)：化學(xué)工藝學(xué)生姓名:學(xué) 院：化工學(xué)院班 級：2012級研究生學(xué) 號：201210三年七月目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 引言2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第一章歷史沿革3 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 第二章研究現(xiàn)狀4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第三章汽液兩相流與工程的關(guān)系7 H

2、YPERLINK l bookmark19 o Current Document 參考文獻(xiàn)9引言所謂“相”，即是物體所處的狀態(tài)，是任一系統(tǒng)中具有相同成分、相同物理、化學(xué) 性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分。相之間具有明顯可分的界面，可以用物理方法分離。常分為氣相、 液相和固相三種相狀態(tài)。有時將等離子體作為物質(zhì)的第四種相態(tài)。僅有兩種相態(tài)處于一 個體系內(nèi)的流動便稱為兩相流動，它是多相流動中一種最常見的流動組合?？梢允且环N 物質(zhì)的兩個相態(tài)，也可以是兩種物質(zhì)的兩個相態(tài)。因此，可以分為單組分兩相流動和雙 組分兩相流動。單組分兩相流動是由同一種化學(xué)成分但不同的相態(tài)混合在一起的流動體 系。例如水及其蒸汽構(gòu)成的汽水兩相流動體

3、系。雙組分兩相流動是指化學(xué)成分不同的兩 種物質(zhì)同處于一個體系內(nèi)的兩相流體流動，例如空氣-水構(gòu)成的氣水兩相流動體系。從 廣義上來說，某些雙組分流動（主要指液體-液體流動）由彼此互不混合的一種相態(tài)構(gòu) 成，也常被稱為兩相流動，例如油水兩相流動。在自然界中，兩相流動是一種最普通的 流動形態(tài)。沸騰液體的流動，大氣中云層的移動，固體顆粒的氣力輸送，氣流中液滴的 攜帶，人體血液的循環(huán)流動等，只不過是兩相流動的幾個常見例子。在工業(yè)實踐中，在 蒸汽鍋爐、核反應(yīng)堆、蒸餾塔、蒸汽發(fā)生器、冷凝器、熱管、沸騰床等設(shè)備上，更將普 遍遇到兩相流動和熱交換問題。因此，只研究單相介質(zhì)的流動越來越不能滿足工程和各 方面的需求，必

4、須同時對兩相流動及傳熱，特別是對氣液兩相流動進(jìn)行分析和討論。關(guān)鍵字：汽液兩相流；化工多相流；工程關(guān)系第一章歷史沿革早在19世紀(jì)初，一些蒸汽輪船和蒸汽機車的鍋爐爆炸事件促使人們開始去研究鍋 爐的水循環(huán)和傳熱問題。在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，已有一些論文論述了船用鍋爐中的 水循環(huán)和傳熱問題。有的還論及了氣液兩相流體流動時發(fā)生的脈動問題。但總的來說， 有關(guān)的論文數(shù)目不多，研究工作還處于啟蒙階段。直到20世紀(jì)30年代，根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展的需要，氣液兩相流體的流動和傳熱的研究工 作才日益展開，發(fā)表的論文也日漸增多。二十世紀(jì)三十年代，美若干研究生的論文中開 始出現(xiàn)“two-phase”這一術(shù)語。1940-1950

5、年期間，不僅對雙組分氣液兩相流阻力等 問題進(jìn)行了研究；而且還將研究工作深入到具有熱交換的單組分氣液兩相流領(lǐng)域。研究 參數(shù)也逐漸趨向高壓。1943年俄國人Kosterin在發(fā)表的論文“水平管內(nèi)兩相介質(zhì)流 動結(jié)構(gòu)研究中”，首次采用“two-phase”術(shù)語1950年以后，由于工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展， 例如，動力工業(yè)中高溫高壓參數(shù)的引入和宇航工業(yè)及商用核電站的開始發(fā)展，促使氣液 兩相流和傳熱的研究工作進(jìn)一步展開。在核反應(yīng)堆中，熱負(fù)荷要比普通鍋爐高幾倍到幾十倍，為避免換熱面燒損必須深入 研究高十度、高熱負(fù)荷下，具有熱交換的氣液兩相流問題。因而，對當(dāng)時的工程實際而 言，只考慮整根蒸發(fā)管中氣液兩相流的平均特性

6、已不能滿足工程發(fā)展的需要，必須掌握 更詳細(xì)的關(guān)于汽液兩相流體的流動結(jié)構(gòu)以及整個干度范圍內(nèi)的傳熱特性知識以推動工 業(yè)的發(fā)展。所以在此期間對于氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)型式以及傳熱惡化問題進(jìn)行了較為 深入的研究。每年發(fā)表的有關(guān)論文達(dá)500篇左右。研究參數(shù)也進(jìn)入高壓、超高壓乃至超 臨界壓力。近50年來，美、蘇、英等工業(yè)發(fā)達(dá)國家建立了一系列功率為兆瓦級的試驗臺。不 少試驗都能用實物在運行壓力下進(jìn)行。同時，對氣液兩相流和傳熱也進(jìn)行了較為深入的 理論分析。對于氣液兩相流的流動和傳熱機理、流動結(jié)構(gòu)型式及其影響因索、流動時相 的分布及摩擦阻力計算、流動時的動態(tài)不穩(wěn)定性及沸騰傳熱和強化傳熱等問題都作了廣 泛的研究和分

7、析，并得出了許多計算式。近30多年來，由于設(shè)備額定功率的增加，投資及運行費用的加大，以及對安全可 靠性的重視，人們加強了這方面的研究，這一趨勢可以用發(fā)電廠的鍋爐與凝汽器的發(fā)展 歷史作為例子來說明。第二章研究現(xiàn)狀現(xiàn)在，仍有研究人員從事傳統(tǒng)氣液兩相流流型識別方法的研究工作。如Kokal等1 對油氣兩相流在傾斜管內(nèi)的流型進(jìn)行了深入的研究，將實驗所得的數(shù)據(jù)與 Taitel和 Dulker所繪制的流行圖進(jìn)行了比較，并利用實驗數(shù)據(jù)對原有的半經(jīng)驗半理論流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn) 則進(jìn)行了驗證，提出了改進(jìn)后的準(zhǔn)則。Ewing等利用攝像技術(shù)記錄水平管中的氣液兩 相流流型變化情況并與Breber提出的流型圖進(jìn)行了對比，對原有流型

8、圖數(shù)據(jù)加以擴充， 擴大了原有流型圖的適用范圍。從而以簡化的兩相流體模型為基礎(chǔ)并采用一系列經(jīng)驗或 理論關(guān)系式封閉方程，計算得到界面濃度與含氣率、十度的關(guān)系，并以此識別流型。 Kalkach-Navarro等發(fā)展了描述氣泡串形成于破碎的廣義兩相流體模型，對含氣率和 壓力波進(jìn)行了穩(wěn)定性計算與分析，從而進(jìn)行兩相流流型的判別。周云龍等對螺旋管和 傾斜下降管內(nèi)氣液兩相流截面含氣率變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了計算螺旋管內(nèi)主要流 型平均截面含氣率的經(jīng)驗關(guān)系式及計算傾斜下降管氣液分層流截面含氣率的理論模型， 為螺旋管及傾斜下降管內(nèi)的氣液兩相流流型識別提供了理論基礎(chǔ)。對氣液兩相流壓差波 動信號的分形插值非線性數(shù)據(jù)擬

9、合與重構(gòu)方法進(jìn)行了探索研究，利用分形插值方法對兩 相流機理做出了新的分析，并據(jù)此給出了一種改進(jìn)以往兩相流壓力降數(shù)據(jù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的 新方法。雖然傳統(tǒng)的氣液兩相流流型識別方法研究有了很大的進(jìn)展，但是其自身固有的 缺點使得它很難滿足實際工業(yè)生產(chǎn)的需要，因此流型的在線、客觀識別技術(shù)引起了研究 人員更大的興趣。起初，這類研究多采用氣液兩相流流動壓差、壓力等波動參數(shù)信號的 統(tǒng)計特征量作為流型識別的特征量。在文中提到截面含氣率也作為氣一液兩相流中一 個非常重要的基本參數(shù)，它在很大程度上影響著兩相流的流動特性及傳熱特性。多年來 世界各國的研究者均對此進(jìn)行了廣泛的理論和實驗研究，也提出了不少的理論模型。其 中最典

10、型的模型是一維一速度模型即均相模型，該模型中，沒有考慮兩相間的相對速度， 也沒有考慮含氣率及流速沿截面分布規(guī)律，具有很大的誤差。Bankoff提出了一維一速 度模型，Wallis提出了一維二速度模型，與一維一速度模型相比有了進(jìn)步，但仍不完善， 在很多情況下會導(dǎo)致較大的誤差。文獻(xiàn)中提出了一種新的二維二速度模型，其實質(zhì)是對 二維一速度模型的改進(jìn)，它不僅考慮了含氣率及流速沿流通截面的分布情況，而且也考 慮了兩相間的相對速度。在大容器中的兩相流研究方面，由于在各種工業(yè)換熱器、液體輸送管道、化學(xué)反應(yīng) 器、空分及石油精餾塔及核反應(yīng)堆中，都存在著氣液兩相流，因此有關(guān)氣液兩相流的各 種參數(shù)如：溫度、壓力、流速

11、、流量、空泡率、氣泡直徑大小、分布和運動狀況以及它 們的變化都會影響到傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)與換熱狀況。對于低溫?fù)Q熱器、低溫液體輸 送管道、空分精餾塔，則直接關(guān)系到換熱器的效率、管道的損失以及精餾塔的分離效率 等。對于氣液兩相流流動情況，在數(shù)值計算方面，也有許多人進(jìn)行了這方面的研究。在多 相流的數(shù)值模擬方法主要有兩類：一是歐拉-拉氏模型（Euler-Lagrange approach），二 是歐拉-歐拉模型（Euler-Eulerapproach）即所謂的雙流體模型。歐拉-拉氏模型即離散 相模型將流體相作為連續(xù)相并通過Navier-Stokes方程求解，占據(jù)一定容積份額的離散 相（固體顆?；驓馀?/p>

12、）只是作為稀相（容積份額在20%范圍內(nèi)）浸沒于連續(xù)相中，離散相與 連續(xù)相間可以存在動量、熱量和質(zhì)量傳遞，離散相軌跡通過積分顆粒或氣泡的力平衡方 程得到，而不需在整個計算區(qū)域上求解其N-S方稱。歐拉-歐拉模型（雙流體模型）假定 不同相之間互相滲透，每一相的容積份額在空間和時間上都是連續(xù)的，并滿足各自的守 衡方程，相與相之間的相互關(guān)系通過經(jīng)驗關(guān)系式得到。針對氣液兩相流動過程中的氣相 對液相的影響，建立了多種的模型。在文獻(xiàn)提到近十年來，國外LopezDeBertodano等、 Minato等、Pfleger等和國內(nèi)如天津大學(xué)化工系劉輝等運用雙流體模型并補充不同的湍 流模型和結(jié)構(gòu)關(guān)系式建立了封閉的本構(gòu)

13、方程組，應(yīng)用到垂直管道湍流泡狀流的預(yù)測方面, 都取得了不同程度的成功，但在他們的模擬中都假設(shè)氣泡保持平均直徑不變。氣泡直徑 對垂直管道湍流泡狀流中氣泡的受力是一個很重要的因素，它直接影響氣泡所受的阻力 以及其他作用力，從而影響到相含率以及各相速度場的分布。ASHRAE（美國采暖，制冷 與空調(diào)工程師學(xué)會）的Gang Li和Steven Franke研究制冷劑分配的CFD模型，并將其 應(yīng)用于設(shè)計改進(jìn)。首先，他們用商用CFD編碼中不同的兩相模型方法的預(yù)測結(jié)果與文獻(xiàn) 中用空氣和水做工質(zhì)的兩相流分配的實驗結(jié)果做比較。VOF（流體體積模型）和ASM（代數(shù) 滑移混合模型）不能有效預(yù)測實驗數(shù)據(jù)，而IPSA（相

14、間滑移代數(shù)模型）的預(yù)測在所有工況 下都與測量值吻合很好。然而，對典型制冷劑分配器幾何和運行工況設(shè)置，用不同的模 型方法對兩相分配和分離的預(yù)測結(jié)果十分相似。因此，ASM適用于研究制冷劑分配器設(shè) 計和評估現(xiàn)有和改進(jìn)設(shè)計的性能。進(jìn)而用實驗和CFD方法研究制冷劑分配器的改進(jìn)。得 出結(jié)論：一般，與其他形狀相比，使用球形分配器底部更好，孔口位置應(yīng)靠近分配器底 部。這些改進(jìn)可提高分配器特性，對不同的孔口或分配器位置提供出口分支管的均勻流 動和相分配。近年來，出現(xiàn)了利用混沌理論、小波理論、信息理論和軟測量技術(shù)識別氣液兩相流 流型的新方法。Y.Cai等提出利用混沌理論計算氣液兩相流壓力波動信號的分形維數(shù)、 自相

15、關(guān)函數(shù)、Lyapunov指數(shù)和準(zhǔn)相平面軌跡等特征量，并以上述特征量識別流型，指出 利用相關(guān)維數(shù)識別流型是一種有潛力的流型識別方法。由于混沌理論、小波理論、信息 理論和軟測量技術(shù)自身尚存在許多問題需要解決。因此這些理論在氣液兩相流流型識別 中的運用仍處于探索階段。Joseph Kestin等7基于均相流模型，采用幾何拓?fù)浞椒?，分析了氣液混合物在縮 放噴嘴中的絕熱流動過程，進(jìn)而得到其在相空間的運動軌跡。研究發(fā)現(xiàn)，特征矩陣&0 時有可能產(chǎn)生激波，其臨界截面位于噴嘴的漸擴段，且隨著背壓的不同，位置稍有不同， 但該截面后的質(zhì)量流量仍保持不變。與等截面管道不同之處在于縮放噴嘴跡線上 =0 的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的

16、流動在現(xiàn)實中并不一定可行，除非噴嘴被消減一部分，使得激波在出 口處發(fā)生。同年，他們又針對單組份兩相流體的一維絕熱流動，建立了雙流體模型，并 用幾何拓?fù)浞治龇椒▽ο嗫臻g中的常規(guī)點、轉(zhuǎn)折點、奇點的劃分進(jìn)行了討論。研究結(jié)果 表明，在一般情況下，縮放流道中的臨界截面位于漸擴段，其確切位置不僅與流道截面 形狀有關(guān)，還與入口參數(shù)有關(guān)。氣液兩相流系統(tǒng)是一個高度非線性的耗散動力系統(tǒng)，它表現(xiàn)為一系列混沌的運動： 其運動機理十分復(fù)雜，因此對于氣液兩相流系統(tǒng)至今仍然無法建立一個精確的數(shù)學(xué)模型 加以描述，因而很難完全從理論上建立流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則來識別流型。氣液兩相流動在許多 領(lǐng)域中得到應(yīng)用，但是對于其流動及傳熱機理的認(rèn)識

17、還沒有完全清楚，因而還需開展大 量的實驗研究，并使許多新的測試技術(shù)都應(yīng)用到實驗測試中。第三章汽液兩相流與工程的關(guān)系氣液兩相流的研究是隨著工業(yè)技術(shù)的需要而發(fā)展起來的，它的宏觀運動規(guī)律以及它 與其他運動形態(tài)之間的相互作用是兩相流體力學(xué)的主要研究內(nèi)容之一。特別是20世紀(jì) 40年代后，由于動力工程、化學(xué)工程、石化工程、原子能工程、航天工程以及環(huán)境保護(hù) 工程的興起和發(fā)展，氣液兩相流的研究日益得到重視，促使它形成為一門完整的應(yīng)用基 礎(chǔ)學(xué)科8簡而言之，氣液兩相流屬流體力學(xué)的研究范疇之一，流體力學(xué)的基本方程也 適合于氣液兩相流。但由于在氣液兩相流中，存在氣液兩相間的相互作用，因此兩相流 動問題較單相流動問題要

18、復(fù)雜得多，兩者間在本質(zhì)特征上也有較大的不同。氣液兩相流 體系的復(fù)雜多變量隨機過程就是顯著區(qū)別于單相流的特點之一。近二十年，多相流動過 程中各種流動參數(shù)的測量、相互影響和相互作用，以及通過系統(tǒng)參數(shù)的動力學(xué)特性預(yù)測 多相流流型變化規(guī)律，對流動不穩(wěn)定性的研究，已經(jīng)成為多相流科學(xué)的重要研究內(nèi)容。 作為流體力學(xué)、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)相互耦合、交叉的與各種實際工程問題密切相關(guān)的 重要學(xué)科領(lǐng)域，它對流動和傳熱的不穩(wěn)定性、波動、輸送系統(tǒng)的設(shè)計、完全運行和在線 檢測，都具有十分重要的學(xué)科價值和實用意義?？偨Y(jié)氣液兩相流相傳熱的各種研究成果的專著也大量出版。這標(biāo)志著氣液兩相流及 其傳熱已發(fā)展到一個新的階段，一個逐步形

19、成一門新學(xué)科的階段。近50年來，由于核 電站事故的發(fā)生，例如，美國三里島核電站事故促使各主要工業(yè)國對與核反應(yīng)堆安全問 題有密切關(guān)系的核反應(yīng)堆的熱力、水力狀況進(jìn)行了大量研究工作。主要工作為應(yīng)用計算 機進(jìn)行估計性計算。編寫了大量計算機程序估算核反應(yīng)堆正常運行及發(fā)生事故時的熱力 及水力工況。與此同時也進(jìn)行少量大規(guī)模試驗以資校核。在其它工業(yè)領(lǐng)域中，對于氣液 兩相流和傳熱的研究工作都在向著增加研究參數(shù)、擴大研究范圍和進(jìn)行一些全尺寸部件 試驗的方向努力。對于管束中的流動結(jié)構(gòu)型式和流動阻力的研究也在增多，以適應(yīng)廢熱 鍋爐、重沸器、列管式蒸發(fā)器以及其它熱交換設(shè)備發(fā)展的需要。同時，為利用海洋熱能而設(shè)計的各種鍋爐

20、和凝結(jié)器也需要氣液兩相流和傳熱方面的 資料。隨著人們對節(jié)能以及積極開發(fā)新能源問題的日益重視，氣液兩相流和傳熱的研究 工作將得到進(jìn)一步發(fā)展。汽液兩相流研究資料的應(yīng)用主要有三個方面：第一，設(shè)計者為了進(jìn)行最佳設(shè)計，使產(chǎn)品在市場上有競爭能力，需要詳盡的資料。 為了滿足這一要求，需要進(jìn)行定量的試驗，例如傳熱系數(shù)或兩相壓降的研究。第二，運行人員為了決定最佳運行工況，或是在不良情況下需要斷定由于偏離理想 情況而發(fā)生事故的原因。這類問題的解決，可能包括以往沒有研究過的一種特定幾何形 狀或特定的汽液兩相流流型的實驗研究，例如鍋爐管由于分層流而損壞。第三，為確保安全運行，在某些情況下需要精確地知道最大的安全運行極

21、限，例如 在核反應(yīng)堆中，必須知道燃料棒束在整個運行工況范圍內(nèi)的最大熱輸出量，這樣才可能 留出足夠的安全裕度。為了使設(shè)計經(jīng)濟合理及評價各種安全因素有定量的資料，保證設(shè) 備在最佳工況下安全運行。目前在研究和應(yīng)用中的氣液兩相流大多數(shù)是管內(nèi)流動，在氣液兩相流動過程中，由 于氣液兩相均可變形，兩相界面將不斷變化，從而兩相介質(zhì)的分布狀態(tài)也不斷改變，所 以流型極為復(fù)雜。同時，流型還與管道尺寸、管截面形狀、管道角度、管道加熱狀態(tài)、 所處的重力場、介質(zhì)的表面張力、壁面及相界面間的剪切應(yīng)力等因素有密切關(guān)系。因此， 流型的種類是相當(dāng)復(fù)雜繁多的。這使得不同的研究者，從不同角度對流型進(jìn)行研究時， 會給出流型的不同定義和

22、劃分。主要將流型劃分為八種：氣泡流、栓狀流、分層流、波 狀流、彈狀流、環(huán)狀流、混狀流、液絲環(huán)狀流。近幾年來，有些學(xué)者如Barnea等9提出 了從多相流中的流動介質(zhì)的連續(xù)性出發(fā)進(jìn)行流型的劃分。即將介質(zhì)的形態(tài)分別分為連續(xù) 的、間斷的和離散的。由于這種流型劃分方法一方面考慮介質(zhì)的連續(xù)性，便于將兩相流 問題與比較成熟的單相流流體力學(xué)相聯(lián)系，另一方面又能將各種不同的流型歸納為較少 的幾種模式，相互之間有比較明確的區(qū)別特征，簡化了理論研究的對象，從而便于氣液 兩相流的研究和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)陳學(xué)俊，陳立勛，周芳德.氣液兩相流與傳熱基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1995Barmea D S. Umified model for predicting flow pattern transitions for whole range of pipe inclinations. Int J Multiphase Flow. 1987, 13(1): 1-12S. L. Kokal, J. F. Stanislav. An experimental study of two-phase flows in slightly pipes-I. flow patterns. Chemical Engineer