1、氣液兩相流,主 講： 范廣銘 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.03,課程目錄,第一章 兩相流基本參數(shù)及其計算方法（3學(xué)時） 第二章 兩相流的流型和流型圖（4學(xué)時） 第三章 兩相流的基本方程（3學(xué)時） 第四章 截面含氣率的計算（7學(xué)時） 第五章 直管的兩相流壓降計算（8學(xué)時） 第六章 兩相流局部壓降計算（2學(xué)時） 第七章 兩相臨界流動（3學(xué)時） 第八章 兩相流流動不穩(wěn)定性（2學(xué)時）,課程重點,熟練掌握兩相流基本參數(shù)的定義，表達(dá)式及計算方法。 掌握絕熱與非絕熱垂直與水平管內(nèi)各種流型的基本特征，能用流型圖判別流型，了解流型過渡的判別條件。 對截面含氣率的三類計算方法有明確的認(rèn)識，掌握用漂移流模型計算截面

2、含氣率的方法，了解欠熱沸騰區(qū)截面含氣率的計算過程。 掌握用均相流模型及分相流模型計算直管內(nèi)的摩擦壓降、重位壓降及加速度壓降的方法。了解影響摩擦壓降的主要因素。 能計算熱平衡條件下受熱及不受熱流道的兩相總壓降。 能分別用三個模型計算長孔道內(nèi)臨界質(zhì)量流速，掌握短孔道內(nèi)臨界流的特征及臨界質(zhì)量流速的計算。,1.1 基本概念 1.2 氣相介質(zhì)含量 1.3 兩相流的流量和流速 1.4 兩相介質(zhì)密度及比容 1.5 加熱通道內(nèi)沸騰段長度的確定,第一章 兩相流基本參數(shù)及其計算方法,1.1 基本概念,1.相：通常指某一系統(tǒng)中具有相同成份和相同物 理、化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì)成份，各相之間有明顯 的界面。宏觀上可以把物質(zhì)

3、分為三相：即氣相、液相、固相。 2.單相流：單相物質(zhì)的流動。 3.兩相流：固體、液體、氣體三個相中的任何兩個 組合在一起、具有相間界面的流動體系。 4.兩相流的分類：氣液兩相流、氣固兩相流、液固 兩相流、液液兩相流。 5.多相流,1.1 基本概念,判斷：下列體系哪些是單相的？哪些是兩相的？ 1、水和水蒸汽 4、有沙粒的小溪 2、鹽水溶液 5、油水混合物 3、氫氣和氮氣 6、水和冰,1.1.1 兩相流的分類,（1）按化學(xué)成份分為 單組分兩相流：同一種化學(xué)成分的物質(zhì)的兩種相 態(tài)混合在一起的流動，如水-水蒸汽、鈉-鈉蒸汽及冰 水混合物等。 雙組分兩相流：不同化學(xué)成分的兩種物質(zhì)處于同 一個系統(tǒng)內(nèi)的流動

4、，如空氣-水，油-水，煙-氣等。 （2）按流道是否存在熱交換可分為 絕熱兩相流無相變，無相間質(zhì)量交換。如汽水 分離。 加熱兩相流有相變，有相間質(zhì)量交換。如沸 騰，冷凝。,1.1.1 兩相流的分類,（3）按兩相物質(zhì)所處的物態(tài)可分為 氣液兩相流：水和水蒸汽，水和空氣 氣固兩相流：風(fēng)沙，煙氣 液固兩相流：血液流動 液液兩相流：兩種不相溶的液體，油水混合物,氣液兩相流在核能、熱能及大量工業(yè)設(shè)備中廣泛存在，如核反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器等設(shè)備、鍋爐、冷凝器、石油輸送管道和氣液分離器等。 兩相流具有復(fù)雜性，多變性的特點，測量手段有限，兩相流的研究充滿挑戰(zhàn)。 氣液兩相流是流體力學(xué)的一個分支，可在單相流體力學(xué)研究的基

5、礎(chǔ)上，考慮氣液兩相之間的相互作用，并引入一些兩相流動參數(shù)，解決兩相流現(xiàn)象中的相關(guān)問題。,1.1.2 研究氣液兩相流的目的及解決方法,1.2.1 定義 氣相介質(zhì)含量表示兩相流中氣相所占的份額。 1.2.2 幾種表示方式 1.質(zhì)量含氣率x （干度） 單位時間內(nèi)，流過通道某一截面的兩相流體總質(zhì)量M中氣相所占的比例份額。 式中， 、 分別表示氣相和液相的質(zhì)量流量，kg/s。 那么，質(zhì)量含液率(濕度)可以表示為,1.2 氣相介質(zhì)含量,又稱為熱平衡含汽率，它是由熱平衡方程定義的含汽率。在有熱量輸入的兩相流系統(tǒng)中，可以根據(jù)輸入的熱量得到汽相的含量。 （1）熱力學(xué)平衡（thermodynamic equili

6、brium) 系統(tǒng)內(nèi)既無壓力梯度和溫度梯度，且該系統(tǒng)內(nèi)所有共存相內(nèi)也無化學(xué)勢梯度時的狀態(tài)。滿足力學(xué)平衡、熱平衡和化學(xué)平衡。 （2）熱平衡方程 式中，i是流道某截面上兩相流體的焓值，那么,2.熱力學(xué)含汽率x,汽化潛熱,飽和水焓,（3）討論 當(dāng) ，兩相流動處于欠飽和態(tài)， 過冷（欠熱）沸騰或單相； 當(dāng) ，兩相流動處于飽和 沸騰，這時熱平衡含汽率等于質(zhì)量含汽率； 當(dāng) ，過熱蒸汽，單相汽體。,指單位時間內(nèi)流過某一截面的兩相總?cè)莘e中，氣 相所占的比例份額。 式中， ， 分別表示氣相和液相介質(zhì)的容積流量， m3/s。那么，容積含液率（1-） 由定義，可以推出質(zhì)量含氣率x與的關(guān)系,3.容積含氣率,4.截面含氣

7、率,又稱為空泡份額。指兩相流某一截面上，氣相 所占截面與總流道截面之比。 式中， ， 分別表示氣相和液相所占的流道 截面積，m2。同理，截面含液率（1-),是容積流量比，表示流過通道的氣相容積份額； 是體積比，表示存在于通道中的氣相容積份額。,（1-12）,（1-13）,顯然，對于單組分的兩相流，,在兩相流動系統(tǒng)中，兩相之間會因物性不同(如密 度)存在不同程度的滑動。引入滑速比S的概念，則兩相 之間滑動的大小可以表示為,（1-15）,1.3 兩相流的流量和流速,1.3.1 幾種表達(dá)式形式 1.質(zhì)量流量和質(zhì)量流速 總質(zhì)量流量M：單位時間內(nèi)流過任一橫截面的氣液 混合物的總質(zhì)量,kg/s. 總質(zhì)量流

8、速G：又稱為質(zhì)量流密度，指流道單位截 面通過的質(zhì)量流量,kg/m2.s. 每一相的質(zhì)量流速與總質(zhì)量流速的關(guān)系,總?cè)莘e流量：單位時間內(nèi)，流過通道任一流通截面 的氣液混合物的總的容積，m3/s。 液相真實平均速度，m/s： 氣相真實平均速度, m/s：,2.容積流量、相速度和折算速度,折算速度：又稱容積流密度，又稱為表觀質(zhì)量 流速（superficial flow flux）, 定義為單位流道 截面上的兩相流容積流量，m/s。它也表示兩相流的平 均速度。 式中，Jg為氣相折算速度，表示兩相介質(zhì)中氣相單獨流 過同一通道時的速度,m/s. Jf為液相折算速度，表示兩相介質(zhì)中液相單獨流 過同一通道時的速

9、度,m/s.,討論,當(dāng)氣液兩相無相對運動時 當(dāng)氣液兩相存在相對運動，且 ，則,漂移速度：各相真實速度與兩相混合平均速度J的差值。 氣相漂移速度： 液相漂移速度： 漂移通量：各相相對于兩相混合平均速度J運動的截面 所流過的體積通量。 氣相漂移通量： 液相漂移通量：,3.漂移速度和漂移通量,循環(huán)速度：與兩相混合物總質(zhì)量流量M相等的液相 介質(zhì)流過同一截面的通道時的速度。欠熱沸騰時循環(huán)速 度在數(shù)值上等于通道入口處水的速度 。 循環(huán)倍率：單位時間內(nèi)，流過通道某一截面的兩 相介質(zhì)總質(zhì)量與其中氣相質(zhì)量之比，也就是質(zhì)量含氣率 的倒數(shù)。,4.循環(huán)速度和循環(huán)倍率,自然循環(huán)鍋爐原理,對于沸騰通道，循環(huán)速度在 數(shù)值上

10、等于上升管入口處水 的速度 。 循環(huán)倍率是指循環(huán)水流量與 蒸汽產(chǎn)量的比值。表示上升 管中實際產(chǎn)生一公斤蒸汽需 要的循環(huán)水流量幾公斤,對于自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，循環(huán)流速是指上升空間通道入口處飽和水的流速。 循環(huán)倍率是指循環(huán)水流量與蒸汽產(chǎn)量的比值。,立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器,對于蒸汽發(fā)生器而言，其循環(huán)倍率是表征其二次側(cè)流動狀 態(tài)的重要參數(shù)，它對于傳熱管的腐蝕、流動穩(wěn)定、傳熱特性及 分離器工作等都有重要影響。蘇聯(lián)早期的文獻(xiàn)，曾推薦取循環(huán) 倍率大于23，但隨著運行實踐經(jīng)驗的積累，目前各國傾向于 提高循環(huán)倍率，一般認(rèn)為在設(shè)計狀態(tài)時應(yīng)大于44.5，其主要 考慮的因素如下： 1.傳熱要求：為了保證管壁潤濕，特別

11、是防止局部區(qū)域出現(xiàn)缺液或干涸。一般要求管束進(jìn)出口處的蒸汽含量不超過20%25%，相當(dāng)于循環(huán)倍率大于4。 2.流動穩(wěn)定性：循環(huán)倍率低可能導(dǎo)致流動的不穩(wěn)定，使流動產(chǎn)生振蕩，這種流動振蕩現(xiàn)象使傳熱效率下降，當(dāng)流動振蕩的幅度足夠大時，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波動。 3.管材腐蝕：在局部滯流或低流速區(qū)，往往導(dǎo)致污垢沉積或濃縮。從防止腐蝕與流動的要求出發(fā)，應(yīng)適當(dāng)提高循環(huán)流速，以便在管板上表面及管束彎管區(qū)提高沖刷流速。,5.滑速比,由于氣體和液體的流速不同，在兩相之間存在滑動速度(滑移速度） 氣體的速度與液體的速度之比稱為滑速比S,豎直上升流：,豎直下降流：,1.4 兩相介質(zhì)密度及比容,1.兩相介質(zhì)密

12、度表示方法 1）兩相介質(zhì)的流動密度 單位時間內(nèi)流過流道某一截面的兩相介質(zhì)質(zhì)量和 體積之比。 2）兩相介質(zhì)的真實密度 即單位體積內(nèi)兩相介質(zhì)的質(zhì)量，反映了存在于流 道中的兩相介質(zhì)的實際密度。,和 的關(guān)系：,1).當(dāng)S=1時, 所以,，均質(zhì)流動；,2). 當(dāng),時，,S1:,則,S1:,則,單位時間內(nèi)流過流道某一截面的兩相介質(zhì)體積和質(zhì)量之比 1) 截面平均比容vA 2) 動量平均比容vM,2. 兩相介質(zhì)的比容,3）動能平均比容vE,對比上面四種比容表達(dá)式,當(dāng)S=1時，則有,，,。,1.均勻加熱,1.5 加熱通道內(nèi)沸騰段長度的確定,均勻加熱通道內(nèi)含汽率的變化,沸騰段長度的確定實際上就是確定沸騰起始 面，它與加熱方式及來流溫度有關(guān)。 目的：為了確定分區(qū),2.正弦加熱,正弦加熱通道內(nèi)含汽率的變化,本章小