哈工程兩相流第1章

1、氣液兩相流氣液兩相流 主主 講：講： 范廣銘范廣銘 核科學與技術學院核科學與技術學院 202011.0311.03 課程目錄 第一章第一章 兩相流基本參數(shù)及其計算方法（兩相流基本參數(shù)及其計算方法（3 3學時）學時） 第二章第二章 兩相流的流型和流型圖（兩相流的流型和流型圖（4 4學時）學時） 第三章第三章 兩相流的基本方程（兩相流的基本方程（3 3學時）學時） 第四章第四章 截面含氣率的計算（截面含氣率的計算（7 7學時）學時） 第五章第五章 直管的兩相流壓降計算（直管的兩相流壓降計算（8 8學時）學時） 第六章第六章 兩相流局部壓降計算（兩相流局部壓降計算（2 2學時）學時） 第七章第七章

2、兩相臨界流動（兩相臨界流動（3 3學時）學時） 第八章第八章 兩相流流動不穩(wěn)定性（兩相流流動不穩(wěn)定性（2 2學時）學時） 課程重點 n熟練掌握兩相流基本參數(shù)的定義，表達式及計算方法。熟練掌握兩相流基本參數(shù)的定義，表達式及計算方法。 n掌握絕熱與非絕熱垂直與水平管內各種流型的基本特征，掌握絕熱與非絕熱垂直與水平管內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。能用流型圖判別流型，了解流型過渡的判別條件。 n對截面含氣率的三類計算方法有明確的認識，掌握用漂對截面含氣率的三類計算方法有明確的認識，掌握用漂 移流模型計算截面含氣率的方法，了解欠熱沸騰區(qū)截面移流模型計算截面含氣率的方

3、法，了解欠熱沸騰區(qū)截面 含氣率的計算過程。含氣率的計算過程。 n掌握用均掌握用均相相流模型及分相流模型計算直管內的摩擦壓降、流模型及分相流模型計算直管內的摩擦壓降、 重位壓降及加速度壓降重位壓降及加速度壓降的方法的方法。了解影響摩擦壓降的主。了解影響摩擦壓降的主 要因素。要因素。 n能計算熱平衡條件下受熱及不受熱流道的兩相總壓降。能計算熱平衡條件下受熱及不受熱流道的兩相總壓降。 n能分別用三個模型計算長孔道內臨界質量流速，掌握短能分別用三個模型計算長孔道內臨界質量流速，掌握短 孔道內臨界流的特征及臨界質量流速的計算?？椎纼扰R界流的特征及臨界質量流速的計算。 n1.1 基本概念基本概念 n1.2

4、 氣相介質含量氣相介質含量 n1.3 兩相流的流量和流速兩相流的流量和流速 n1.4 兩相介質密度及比容兩相介質密度及比容 n1.5 加熱通道內沸騰段長度的確定加熱通道內沸騰段長度的確定 第一章第一章 兩相流基本參數(shù)及其計算方兩相流基本參數(shù)及其計算方 法法 1.1 基本概念基本概念 1.1.相：通常指某一系統(tǒng)中具有相：通常指某一系統(tǒng)中具有相同成份相同成份和和相同物相同物 理、化學性質理、化學性質的的均勻均勻物質成份，各相之間有物質成份，各相之間有明顯明顯 的界面的界面。宏觀宏觀上可以把物質分為上可以把物質分為三三相：即相：即氣相、氣相、 液相、固相。液相、固相。 2.2.單單相流：相流：單相單

5、相物質的流動。物質的流動。 3.3.兩兩相流：固體、液體、氣體三個相中的相流：固體、液體、氣體三個相中的任何兩個任何兩個 組合在一起、具有組合在一起、具有相間界面相間界面的的流動流動體系。體系。 4.4.兩相流的分類：兩相流的分類：氣液氣液兩相流、兩相流、氣固氣固兩相流、兩相流、液固液固 兩相流、兩相流、液液液液兩相流。兩相流。 5.5.多相流多相流 1.1 基本概念基本概念 判斷：下列體系哪些是單相的？哪些是判斷：下列體系哪些是單相的？哪些是 兩相的？兩相的？ 1 1、水和水蒸汽、水和水蒸汽 4 4、有沙粒的小、有沙粒的小 溪溪 2 2、鹽水溶液、鹽水溶液 5 5、油水混合物、油水混合物 3

6、 3、氫氣和氮氣、氫氣和氮氣 6 6、水和冰、水和冰 1.1.1 兩相流的分類兩相流的分類 （1 1）按化學成份分為）按化學成份分為 單組分兩相流單組分兩相流：同一種化學成分的物質的兩種相：同一種化學成分的物質的兩種相 態(tài)混合在一起的流動，如水態(tài)混合在一起的流動，如水- -水蒸汽、鈉水蒸汽、鈉- -鈉蒸汽及冰鈉蒸汽及冰 水混合物等。水混合物等。 雙組分兩相流：雙組分兩相流：不同化學成分的兩種物質處于同不同化學成分的兩種物質處于同 一個系統(tǒng)內的流動，如空氣一個系統(tǒng)內的流動，如空氣- -水，油水，油- -水，煙水，煙- -氣等。氣等。 （2 2）按流道是否存在熱交換可分為）按流道是否存在熱交換可分

7、為 絕熱兩相流絕熱兩相流無相變，無相間質量交換。如汽水無相變，無相間質量交換。如汽水 分離。分離。 加熱兩相流加熱兩相流有相變，有相間質量交換。如沸有相變，有相間質量交換。如沸 騰，冷凝。騰，冷凝。 1.1.1 兩相流的分類兩相流的分類 （3 3）按兩相物質所處的物態(tài)可分為）按兩相物質所處的物態(tài)可分為 氣液兩相流氣液兩相流：水和水蒸汽，水和空氣：水和水蒸汽，水和空氣 氣固兩相流：氣固兩相流：風沙，煙氣風沙，煙氣 液固兩相流：液固兩相流：血液流動血液流動 液液兩相流：液液兩相流：兩種不相溶的液體，油水混合物兩種不相溶的液體，油水混合物 n氣液兩相流在核能、熱能及大量工業(yè)設備中廣泛氣液兩相流在核能

8、、熱能及大量工業(yè)設備中廣泛 存在，如核反應堆、蒸汽發(fā)生器等設備、鍋爐、存在，如核反應堆、蒸汽發(fā)生器等設備、鍋爐、 冷凝器、石油輸送管道和氣液分離器等。冷凝器、石油輸送管道和氣液分離器等。 n兩相流具有復雜性，多變性的特點，測量手段有兩相流具有復雜性，多變性的特點，測量手段有 限，兩相流的研究充滿挑戰(zhàn)。限，兩相流的研究充滿挑戰(zhàn)。 n氣液兩相流是流體力學的一個分支，可在單相流氣液兩相流是流體力學的一個分支，可在單相流 體力學研究的基礎上，考慮氣液兩相之間的相互體力學研究的基礎上，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)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

9、問題。象中的相關問題。 1.1.2 研究氣液兩相流的目的及解決方法研究氣液兩相流的目的及解決方法 1.2.1 1.2.1 定義定義 氣相介質含量表示氣相介質含量表示兩相流中氣相所占的份額兩相流中氣相所占的份額。 1.2.2 1.2.2 幾種表示方式幾種表示方式 1.1.質量含氣率質量含氣率x x （干度）（干度） 單位時間單位時間內，流過通道內，流過通道某一截面某一截面的兩相流體的兩相流體總質量總質量 M中中氣氣相所占的相所占的比例份額比例份額。 式中，式中， 、 分別表示分別表示氣氣相和相和液液相的相的質量流量質量流量，kg/skg/s。 那么，那么，質量含液率質量含液率( (濕度濕度) )

10、可以表示為可以表示為 1.2 氣相介質含量氣相介質含量 MM x MMM M M 1 MM x MMM 又稱為又稱為熱平衡熱平衡含汽率，它是由含汽率，它是由熱平衡方程定義熱平衡方程定義的的 含汽率。在有含汽率。在有熱量輸入熱量輸入的兩相流系統(tǒng)中，可以根據(jù)輸?shù)膬上嗔飨到y(tǒng)中，可以根據(jù)輸 入的熱量得到汽相的含量。入的熱量得到汽相的含量。 （1 1）熱力學平衡（）熱力學平衡（thermodynamic equilibrium) thermodynamic equilibrium) 系統(tǒng)內既無壓力梯度和溫度梯度，且該系統(tǒng)內所系統(tǒng)內既無壓力梯度和溫度梯度，且該系統(tǒng)內所 有共存相內也無化學勢梯度時的狀態(tài)。滿

11、足力學平衡、有共存相內也無化學勢梯度時的狀態(tài)。滿足力學平衡、 熱平衡和化學平衡。熱平衡和化學平衡。 （2 2）熱平衡方程）熱平衡方程 式中，式中，i i是流道某是流道某截面截面上上兩相兩相流體的流體的焓值焓值，那么，那么 r ii x s 2.2.熱力學含汽率熱力學含汽率x x rxii s 汽化潛熱汽化潛熱飽和水焓飽和水焓 （3 3）討論）討論 當當 ，兩相流動處于欠飽和態(tài)，兩相流動處于欠飽和態(tài)， 過冷（欠熱）沸騰或單相；過冷（欠熱）沸騰或單相； 當當 ，兩相流動處于飽和，兩相流動處于飽和 沸騰，這時沸騰，這時熱平衡含汽率等于質量含汽率熱平衡含汽率等于質量含汽率； 當當 ，過熱蒸汽，單相汽體

12、。，過熱蒸汽，單相汽體。 ss ttxii, 0, sss ttxiii , 10 , ss ttxii , 1, 指指單位時間單位時間內流過內流過某一截面某一截面的的兩相總容積兩相總容積中，中，氣氣 相相所占的所占的比例份額比例份額。 式中，式中， ， 分別表示分別表示氣氣相和相和液液相介質的相介質的容積流量容積流量， m3/s。那么，。那么，容積含液率（容積含液率（1-） 由定義，可以推出由定義，可以推出質量含氣質量含氣率率x與與的關系的關系 3.3.容積含氣率容積含氣率 xx x 1 VV VVV 1 VV VVV V V 4.4.截面含氣率截面含氣率 又稱為又稱為空泡份額空泡份額。指兩

13、相流。指兩相流某一截面某一截面上，上，氣相氣相 所占截面與總流道截面之比所占截面與總流道截面之比。 式中，式中， ， 分別表示分別表示氣氣相和相和液液相所占的流道相所占的流道 截面積截面積，m2。同理，。同理，截面含液率（截面含液率（1-)1-) 1 A A AA AAA A A 是容積流量比，表示是容積流量比，表示流過流過通道的氣相容積份額；通道的氣相容積份額； 是體積比，表示是體積比，表示存在于存在于通道中的氣相容積份額。通道中的氣相容積份額。 的區(qū)別和) 1 ( 的關系和x,)2( 1 1 1 M MMx x W W x x AA A a 1 1 1 （1-121-12） （1-131-

14、13） 顯然，對于單組分的兩相流，顯然，對于單組分的兩相流， 在兩相流動系統(tǒng)中，兩相之間會因在兩相流動系統(tǒng)中，兩相之間會因物性不同物性不同( (如密如密 度度) )存在存在不同程度的滑動不同程度的滑動。引入。引入滑速比滑速比S S的概念，則的概念，則兩相兩相 之間滑動的大小之間滑動的大小可以表示為可以表示為 W S W ,1,WW S ,1,WW S Sa a 11 1 1 , cr PP （1-151-15） 1.3 兩相流的流量和流速兩相流的流量和流速 1.3.1 幾種表達式形式幾種表達式形式 1. 1.質量流量和質量流速質量流量和質量流速 總質量流量總質量流量M M：單位時間單位時間內流

15、過內流過任一橫截面任一橫截面的的氣液氣液 混合物的混合物的總質量總質量,kg/s.,kg/s. 總質量流速總質量流速G G：又稱為：又稱為質量流密度質量流密度，指流道，指流道單位截單位截 面面通過的通過的質量流量質量流量,kg/m,kg/m2 2.s.s. 每一相的質量流速與總質量流速的關系每一相的質量流速與總質量流速的關系 MMM (1) MM GGGx GxG AA M G A 總容積流量總容積流量：單位時間單位時間內，流過通道內，流過通道任一流通截面任一流通截面 的的氣液混合物氣液混合物的的總的容積總的容積，m m3 3/s/s。 液相真實平均速度液相真實平均速度，m/sm/s： 氣相真

16、實平均速度氣相真實平均速度, , m/sm/s： VMG W AA MM VVV 1 VMG W AA 2.2.容積流量、相速度和折算速度容積流量、相速度和折算速度 折算速度折算速度：又稱：又稱容積流密度容積流密度，又稱為，又稱為表觀質量表觀質量 流速流速（superficial flow fluxsuperficial flow flux）, , 定義為定義為單位流道單位流道 截面截面上的上的兩相流容積流量，兩相流容積流量，m/sm/s。它也表示。它也表示兩相流的平兩相流的平 均速度。均速度。 式中，式中，J Jg g為氣相折算速度為氣相折算速度，表示兩相介質中，表示兩相介質中氣相單獨流氣相

17、單獨流 過同一通道時的速度過同一通道時的速度,m/s,m/s. . J Jf f為液相折算速度為液相折算速度，表示兩相介質中，表示兩相介質中液相單獨流液相單獨流 過同一通道時的速度過同一通道時的速度, ,m/sm/s. . gf VVV JJJ AAA g VV JW AA 1 f J W g J W 11 f VV JW AA 討論討論 當氣液兩相無相對運動時當氣液兩相無相對運動時 當氣液兩相存在相對運動，且當氣液兩相存在相對運動，且 ，則，則 WJW WWS , 1 WW WJW 漂移速度漂移速度：各相真實各相真實速度與兩相混合速度與兩相混合平均速度平均速度J的的差值差值。 氣氣相漂移速度

18、：相漂移速度： 液液相漂移速度：相漂移速度： 漂移通量漂移通量：各相相對于兩相混合平均速度各相相對于兩相混合平均速度J運動的運動的截面截面 所流過的所流過的體積通量體積通量。 氣氣相漂移通量：相漂移通量： 液液相漂移通量：相漂移通量： gm WWJ 11 fmfg A JWJWJJJJJ A fm WWJ gmg A JWJJJ A 3.3.漂移速度和漂移通量漂移速度和漂移通量 gmfm JJ 循環(huán)速度循環(huán)速度：與兩相混合物：與兩相混合物總質量流量總質量流量M M相等的相等的液相液相 介質流過介質流過同一同一截面的通道時的速度。截面的通道時的速度。欠熱沸騰欠熱沸騰時循環(huán)速時循環(huán)速 度在數(shù)值上度

19、在數(shù)值上等于等于通道通道入口處水的速度入口處水的速度 。 循環(huán)倍率循環(huán)倍率：單位時間單位時間內，流過通道內，流過通道某一截面某一截面的的兩兩 相介質總質量相介質總質量與其中與其中氣相質量氣相質量之比，也就是之比，也就是質量含氣率質量含氣率 的倒數(shù)的倒數(shù)。 4 4. .循環(huán)速度和循環(huán)倍率循環(huán)速度和循環(huán)倍率 ogf M WJJ A (1) fgog JJJWJ g o j W xM M K 1 自然循環(huán)鍋爐原理自然循環(huán)鍋爐原理 對于沸騰通道，循環(huán)速度在對于沸騰通道，循環(huán)速度在 數(shù)值上數(shù)值上等于上升管入口處水等于上升管入口處水 的速度的速度 。 循環(huán)倍率循環(huán)倍率是指循環(huán)水流量與是指循環(huán)水流量與 蒸汽

20、產(chǎn)量的比值蒸汽產(chǎn)量的比值。表示上升表示上升 管中實際產(chǎn)生一公斤蒸汽需管中實際產(chǎn)生一公斤蒸汽需 要的循環(huán)水流量幾公斤要的循環(huán)水流量幾公斤 n對于自然循環(huán)蒸對于自然循環(huán)蒸 汽發(fā)生器，循環(huán)汽發(fā)生器，循環(huán) 流速是指上升空流速是指上升空 間通道入口處飽間通道入口處飽 和水的流速。和水的流速。 n循環(huán)倍率是指循循環(huán)倍率是指循 環(huán)水流量與蒸汽環(huán)水流量與蒸汽 產(chǎn)量的比值。產(chǎn)量的比值。 立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器立式自然循環(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流動狀對于蒸汽發(fā)生器而言，其循環(huán)倍率是表征其二次側流動狀 態(tài)的重要參數(shù)，它對于傳熱管的腐蝕、流動穩(wěn)定、傳熱特性及態(tài)的重要參數(shù)，它對于傳熱管

21、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，曾推薦取循環(huán)分離器工作等都有重要影響。蘇聯(lián)早期的文獻，曾推薦取循環(huán) 倍率大于倍率大于2 23 3，但隨著運行實踐經(jīng)驗的積累，目前各國傾向于，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，一般認為在設計狀態(tài)時應大于提高循環(huán)倍率，一般認為在設計狀態(tài)時應大于4 44.54.5，其主要，其主要 考慮的因素如下：考慮的因素如下： 1.1.傳熱要求：傳熱要求：為了保證管壁潤濕，特別是防止局部區(qū)域出現(xiàn)缺為了保證管壁潤濕，特別是防止局部區(qū)域出現(xiàn)缺 液或干涸。一般要求管束進出口處的蒸汽含量不超過液或干涸。一般要求管束進出口處的蒸汽

22、含量不超過20%20%25%25%， 相當于循環(huán)倍率大于相當于循環(huán)倍率大于4 4。 2.2.流動穩(wěn)定性：循環(huán)倍率低可能導致流動的不穩(wěn)定，使流動產(chǎn)流動穩(wěn)定性：循環(huán)倍率低可能導致流動的不穩(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，當流動振蕩的幅度生振蕩，這種流動振蕩現(xiàn)象使傳熱效率下降，當流動振蕩的幅度 足夠大時，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波動。足夠大時，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波動。 3.3.管材腐蝕：在局部滯流或低流速區(qū)，往往導致污垢沉積或濃管材腐蝕：在局部滯流或低流速區(qū)，往往導致污垢沉積或濃 縮。從防止腐蝕與流動的要求出發(fā)，應適當提高循環(huán)流速，以便縮。從防止腐蝕與流動的要

23、求出發(fā)，應適當提高循環(huán)流速，以便 在管板上表面及管束彎管區(qū)提高沖刷流速。在管板上表面及管束彎管區(qū)提高沖刷流速。 5.5.滑速比滑速比 由于氣體和液體的流速不同，在兩相之間存在滑由于氣體和液體的流速不同，在兩相之間存在滑 動速度動速度( (滑移速度）滑移速度） 氣體的速度與液體的速度之比稱為滑速比氣體的速度與液體的速度之比稱為滑速比S S WWWxd Sa a 11 1 1 a a x x W W S 1 1 aSWW , 1, aSWW , 1, 豎直上升流：豎直上升流： 豎直下降流：豎直下降流： 1.4 兩相介質密度及比容兩相介質密度及比容 1.1.兩相介質密度表示方法兩相介質密度表示方法

24、1 1）兩相介質的）兩相介質的流動密度流動密度 單位時間內流過流道某一截面的兩相介質質量和 單位時間內流過流道某一截面的兩相介質質量和 體積之比。體積之比。 2 2）兩相介質的）兩相介質的真實密度真實密度 即單位體積內兩相介質的質量，反映了存在于流即單位體積內兩相介質的質量，反映了存在于流 道中的兩相介質的實際密度。道中的兩相介質的實際密度。 1 m M V 1 o m o 和和 的關系：的關系：o m mo 1).1).當當S=1S=1時時, , , 所以所以 ，均質流動；，均質流動； 1S mo2). 當當 時，時， ,mo S1: ,則則 , S1: mo ,則則 單位時間內流過流道某一截面的兩相介質體積和單位時間內流過流道某一截面的兩相介質體積和 質量之比質量之比 1) 1) 截面平均比容截面平均比容v vA A 2) 2) 動量平均比容動量平均比容v vM M 1 1 m m V vxvx v M 1 1 A x v Sxv v xx S 2 2 1 1 M xvx v v 2. 2. 兩相介質的比容兩相介質的比容 0.5 2