2025/6/22112.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱Flowpatternoftwo-phaseflow汽水兩相流體的流型Heattransferinwater-cooledwall水冷壁管內(nèi)的傳熱Parametersoftwo-phaseflow汽水兩相流的特性參數(shù)Velocity兩相流體的速度Steamqualitybymass兩相流體的含汽率Density兩相流體的密度2025/6/22212.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱1.蒸發(fā)管內(nèi)的汽水兩相流型Two-phaseflowpattern2025/6/22312.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱Fig.2isaclassicpictureofboilingwaterinalong,uniformlyheated,circulartube.Floworforcedconvectiveboiling,whichisfoundinvirtuallyallsteamgeneratingsystems,isamorecomplexphenomenoninvolvingtheintimateinteractionoftwo-phasefluidflow,gravity,materialphenomenaandboilingheattransfermechanisms.Thewaterentersthetubeasasubcooledliquidandconvectionheattransfercoolsthetube.Thepointofincipientboilingisreached(point1inFig.2).Thisresultsinthebeginningofsubcooledboilingandbubblyflow.欠焙水內(nèi)管子下部進入，完全蒸發(fā)后生成的過熱蒸汽由上部流出。如受熱不太強烈，區(qū)域A為單相水的對流傳熱，水溫低于飽和溫度，管壁金屬溫度稍高于水溫。在B區(qū)內(nèi)，緊貼壁面的水雖到達飽和溫度并產(chǎn)生汽泡，但管子中心的大量水仍處于欠熱狀態(tài)．生成的汽泡脫離壁面后又凝結(jié)并將水加熱，這區(qū)域內(nèi)的壁溫高于飽和溫度，進行著過冷核態(tài)沸騰傳熱。2025/6/22412.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱Fluidtemperaturecontinuestoriseuntiltheentirebulkfluidreachessaturationtemperatureandnucleateboilingoccurs,point2.

Atthislocation,flowboilingdepartssomewhatfromthesimplepoolboilingmodelpreviouslydiscussed.Thesteam-watermixtureprogressesthroughaseriesofflowstructuresorpatterns:bubbly,intermediateandannular.Thisisaresultofthecomplexinteractionofsurfacetensionforces,interfacialphenomena,pressuredrop,steam-waterdensitiesandmomentumeffectscoupledwiththesurfaceboilingbehavior.當水進入C區(qū)時全部達到飽和溫度，傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡秃藨B(tài)沸騰。此后生成的汽泡不再凝結(jié)，沿流動方向的含汽量逐漸增大，汽泡分散在水中，這種流型稱為汽泡狀流。2025/6/22512.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱Whileboilingheattransfercontinuesthroughout,apointisreachedintheannularflowregimewheretheliquidfilmonthewallbecomessothinthatnucleationinthefilmissuppressed,point3.Heattransferthenoccursthroughconductionandconvectionacrossthethinannularfilmwithsurfaceevaporationatthesteam-waterinterface.Thisheattransfermechanism,calledconvectiveboiling,alsoresultsinhighheattransferrates.Itshouldalsobenotedthatnotalloftheliquidisonthetubewall.Aportionisentrainedinthesteamcoreasdisperseddroplets.在D區(qū)，汽泡增多．小汽泡在管于中心聚合成大汽彈，形成彈狀流型，汽彈與汽彈之間有水層，當汽量增多汽彈相互連接時，就形成中心為汽而周圍有一圈水膜的環(huán)狀流型(E區(qū))。2025/6/22612.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱Eventually,anaxiallocation,point4,isreachedwherethetubesurfaceisnolongerwettedandcriticalheatflux(CHF)ordryoutoccurs.Thisistypicallyassociatedwithatemperaturerise.Theexacttubelocationandmagnitudeofthistemperature,however,dependuponavarietyofparameters,suchastheheatflux,massflux,geometryandsteamquality.環(huán)狀流型的后期，中心汽量很大，其中帶有小水滿，同時周圍的水逐漸變薄，即帶液滴的環(huán)狀流型(F區(qū)).環(huán)狀水膜減薄后的導熱能力很強，可能不再發(fā)生核態(tài)沸騰而成為強制水膜對流傳熱，熱量由管壁經(jīng)強制對流水膜傳至管子中心汽流與水膜之間的表面上，而水在此表面上蒸發(fā)，當壁曲上的水膜完全被蒸干盾就形成霧狀流型(G區(qū))。2025/6/227Frompoints4to5inFig.2,post-CHFheattransfer,whichisquitecomplex,occurs.Beyondpoint5,alloftheliquidisevaporatedandsimpleconvectiontosteamoccurs.這時汽流中雖仍有一些水滴，但對內(nèi)壁的冷卻作用不夠，傳熱惡化，管壁金屬溫度突然升高，此后隨汽流中水流的蒸發(fā)，蒸汽流速增大，壁溫又逐漸下降。最后在蒸汽過熱區(qū)中，由于汽溫逐漸上升，管壁溫度又逐漸上升。12.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱2025/6/22812.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱1.蒸發(fā)管內(nèi)的汽水兩相流型Two-phaseflowpattern汽水混合物在垂直管中作上升運動汽、液兩相數(shù)量，即質(zhì)量含汽率x不斷變化；汽、液兩相間存在相對運動；產(chǎn)生汽泡趨中效應Bubblyflow泡狀流Intermediateflow彈狀流Annularflow環(huán)狀流Mistflow霧狀流2025/6/22912.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱泡狀流：當汽水混合物中含汽率x

較小時，蒸汽呈細小的汽泡，主要在管子中心部分向上運動。彈狀流：泡狀流中，汽泡濃度增大時，受趨中效應的作用，小汽泡聚合成大汽泡，直徑逐漸增大。汽泡直徑接近于管子內(nèi)徑時，形成彈狀流。2025/6/221012.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱環(huán)狀流：由于汽彈的內(nèi)壓力增大，當汽彈的內(nèi)壓力大于汽泡的表面張力時，汽泡破裂，液相沿管壁流動，形成一層液膜；汽相在管子中心流動，夾帶著小液滴.霧狀流：管子壁面上的水膜完全蒸干時，蒸干點的質(zhì)量含汽率x=0.8，即蒸汽中仍然夾帶著小液滴，形成霧狀流。自然循環(huán)鍋爐的蒸發(fā)管中，因為限制x≤0.4，所以一般不會出現(xiàn)霧狀流。2025/6/221112.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱

汽水混合物在水平管中流動在浮力與重力作用下，管子上部蒸汽多。當流速小到一定程度時，形成汽、水分層流動。管子上部與蒸汽接觸，管壁溫度升高，可能過熱損壞；在汽水分層的交界面處，由于汽水波動，產(chǎn)生疲勞損壞。汽水混合物流速愈?。缓视?；管子的傾角

愈小，汽水分層愈易發(fā)生。對自然循環(huán)鍋爐，管子傾角應大于30

，以防止發(fā)生分層流動。2025/6/221212.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱Heattransfer單相液體流動階段：在管子入口處，為過冷水對流傳熱，放熱系數(shù)基本不變。過冷沸騰階段：汽泡狀流動的初級階段。壁面溫度大于飽和溫度，在壁面上產(chǎn)生小汽泡，而管子中心流體溫度尚未達到飽和溫度，汽泡被帶到水流中很快凝結(jié)而消失，放熱系數(shù)增大。汽泡狀流動的后期和環(huán)狀流動階段：由于不斷吸熱，管內(nèi)的水流達到飽和溫度在壁面上產(chǎn)生的蒸汽不再凝結(jié)，壁面上不斷產(chǎn)生汽泡，又不斷脫離壁面，水流中分散著許多小汽泡，此時飽和核態(tài)沸騰nucleateboiling開始，并一直持續(xù)到環(huán)狀流動階段結(jié)束。管內(nèi)放熱系數(shù)變化不大，管壁溫度接近流體溫度。2025/6/221312.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱Heattransfer有卷吸的環(huán)狀流動階段：環(huán)狀流的液膜變薄，管子壁面上的熱量很快通過液膜傳遞到液膜表面，此時在管子壁面上不再產(chǎn)生汽泡，蒸發(fā)過程轉(zhuǎn)移的液膜表面進行。放熱系數(shù)略有提高，管壁溫度接近流體溫度。霧狀流動階段：由于管子壁面的水膜被蒸干，只有管子中心的蒸汽流中夾帶著小液滴，壁面由霧狀蒸汽流冷卻，工質(zhì)對管壁的放熱系數(shù)急劇減小，管壁溫度發(fā)生突變性提高。隨后，由于流動速度增加和小液滴對管壁的潤濕作用，使工質(zhì)對管壁的放熱系數(shù)又有所增大，管壁溫度略有下降。當霧狀流蒸汽中水滴全部被蒸干以后，形成單相的過熱蒸汽流動，放熱系數(shù)進一步減小，管壁溫度進一步上升。2025/6/221412.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱Heattransfer2025/6/22152.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱Heattransfer傳熱惡化，管壁溫度升高Filmboiling膜態(tài)沸騰（第一類傳熱惡化）Dryout管壁蒸干（第二類傳熱惡化）12.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱heatfluxmassfluxgeometrysteamquality2025/6/221612.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱第一類傳熱惡化（膜態(tài)沸騰filmboiling）如果管外的熱負荷很高，汽泡生成的速度大于汽泡脫離壁面的速度，汽泡就會在管子內(nèi)壁面上聚集起來，形成蒸汽膜，將管子中心的水與管壁隔開，使管子壁面得不到水膜的直接冷卻，導致管壁超溫。膜態(tài)沸騰一般發(fā)生在亞臨界參數(shù)鍋爐水冷壁管內(nèi)。這是因為水的汽化潛熱隨著壓力提高而大幅度減小，使得亞臨界參數(shù)下在水冷壁管內(nèi)壁面附近流體邊界層中的水更容易汽化，即容易形成更多的汽化核心，因而產(chǎn)生膜態(tài)沸騰的機會相應增加。膜態(tài)沸騰的產(chǎn)生取決于水冷壁管外熱負荷、管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量含汽率、管內(nèi)的質(zhì)量流速、工質(zhì)壓力、管徑等多種因素。主要取決于水冷壁的熱負荷與質(zhì)量含汽率.運行和試驗證明，盡管亞臨界參數(shù)鍋爐水冷壁管出口汽水混合物的質(zhì)量含汽率一般只達到0.3~0.4，但發(fā)生傳熱惡化的可能性較大。2025/6/221712.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱內(nèi)螺紋管抑制傳熱惡化鰭片光管：x=0.3，壁溫開始飛升x=0.6，壁溫達到第一個高峰點，此后壁溫略有下降，x=0.8，出現(xiàn)蒸干,管壁溫度再次出現(xiàn)飛升。內(nèi)螺紋管：x=0.8，壁溫才開始飛升。說明內(nèi)螺紋管具有顯著的抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的作用。2025/6/221812.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱內(nèi)螺紋管抑制膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機理：工質(zhì)受到螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強了管子內(nèi)壁面附近流體的擾動，使水冷壁管內(nèi)壁面上產(chǎn)生的汽泡可以被旋轉(zhuǎn)向上運動的液體及時帶走，而水流受到旋轉(zhuǎn)力的作用緊貼內(nèi)螺紋槽壁面流動。避免了汽泡在管子內(nèi)壁面上的積聚所形成的“汽膜”，保證了管子內(nèi)壁面上有連續(xù)的水流冷卻。亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐采用內(nèi)螺紋管水冷壁是具有相當大的安全裕度.2025/6/221912.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱第二類傳熱惡化（“蒸干”

Dryout）熱負荷比前者低、但含汽率很高時（出現(xiàn)液霧狀），汽流將水膜撕破或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體的足夠冷卻，對流放熱系數(shù)α2

急劇下降，金屬壁溫tb急劇增加，特性參數(shù)是工質(zhì)的臨界含汽率。在自然循環(huán)鍋爐的水冷壁中在正常運行狀態(tài)下不出現(xiàn)“蒸干”導致的傳熱惡化。在非正常運行狀態(tài)下一旦出現(xiàn)第二類傳熱惡化，雖然開始時壁溫并不太高，但含鹽量較高的爐水水滴潤濕管壁時，鹽分沉積在管壁上，也會造成傳熱惡化。2025/6/222012.1Two-phaseflowpatternandheattransfer

第一節(jié)兩相流的流型與傳熱3.Parametersoftwo-phaseflow兩相流的特性參數(shù)1)質(zhì)量流速massvelocity單位時間內(nèi)流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量，用ρw表示：G——流經(jīng)管子的質(zhì)量流量，kg/s；massflowrateA——管子的流通截而積，m2；cross-sectionρ——工質(zhì)的密度，kg/m3；densityw——工質(zhì)的流速，kg/m.velocity對于不受熱的管子或受熱的水冷壁，如果沿管子長度的流通截面積不變，在穩(wěn)定流動下，各斷面的質(zhì)量流速不變。2025/6/22213.Parametersoftwo-phaseflow

兩相流的特性參數(shù)2)循環(huán)流速Circulationvelocity,w0

上升管開始沸騰處的飽和水的質(zhì)量流速G——工