气液两相流动

**章绪论 1.1　概述 两相流动是指固体、液体、气体三个相中的任何两个相组合在一起、具有相间界面的流动体系，例如气体-液体、液体-固体或固体-气体组合的流动体系。这里的相是物质所处状态，是任一系统中具有相同成分、相同理化性质的均匀物质部分。两相流动中的两相可以按化学成分是同一种物质的不同相态，也可为两种物质的不同相态。因此，可以分为单组分两相流动和双组分两相流动。其中，单组分两相流动是由同一种化学成分的物质的两种相态混合在一起的流动体系[1-2]。例如水及水蒸气构成的汽-水两相流动体系。双组分两相流动是指化学成分不同的两种物质同处于一个系统内的流体流动，例如空气-水构成的气-水两相流动体系。本书所讨论的两相流动主要是气液两相流动，包括水蒸气-水组成的气液两相流动。 两相流动是自然界和工业应用中一种常见的流体流动现象，简称为两相流。例如：血液流动、路面上的车流、蒸汽供热管道内的流动、煤与油燃烧过程、沸水堆内流动及石油输送过程等，都是一些普通的两相或多相流动体系。近几十年来，随着科学技术的发展，两相流在核能、动力、石油、化工、冶金、制冷、食品、航空与航天等领域得到广泛的应用，也促进了两相流的研究。但是，两相流除包含单相流所具有的复杂性（如湍流等）外，还存在相间相互作用及相边界（界面）的变形等因素，同时，在两相流中，不仅每一相中分别会出现层流和湍流，相位分布（phase distribution）的结构还会导致出现很多其他的流型，这些都使得两相流的研究变得极为复杂[3-4]。目前为止，无论是在理论上，还是方法上，以及测量手段上，有关两相流的研究还不是很充分。 在气液两相流动中，两相介质都是流体，各自都有相应的流动参数。另外，由于两相介质之间的相互作用，还出现了一些相互关联的参数。为了便于两相流动计算和实验数据的处理，还常使用折算参数（或称虚拟参数），这使得两相流动的参数比单相流复杂得多。本章就两相流动中一些主要的宏观参数予以讨论，并给出计算关系式。 1.2　研究方法 分析两相流动的方法大致有以下几种[1-2]。 （1）经验关系式法。根据实验数据建立的经验关系式是工程计算中*常用的方法，这种关系式应用方便，只要设计对象与赖以获得关系式的实验条件相同，就会获得良好结果。但此方法并不揭露问题的物理本质，无法获得改善设计的方向。由于两相流动的复杂性，以及该学科的发展现状，目前工程应用尚需求助于经验关系式。 （2）简单模型分析法。这是一种常用的工程模型分析法，它并不细致分析流动特性，而是选择关键特征并引入物理假定来建立供分析用的模型。在许多情况下，还可以利用模型组织实验和估计设计参数。常用的模型有均相模型、分相模型以及适用于特定流型的一些分析方法。按不同流型提出的计算模型，比均相模型和分相模型更合理，但必须同时规定流型间的过渡条件。 （3）积分分析法。以积分形式的流动方程为基础，用满足一定边界条件的分布函数作为积分方程的近似函数。这种积分分析法是单相附面层理论常用方法。它也可以应用于两相流动，如流动沸腾的分析。 （4）微分分析法。建立由质量、动量、能量方程组、边界条件以及结构方程构成合适的闭合两相流动基本场微分方程组，由此解出两相参数分布。但方程多而复杂时，必须进行简化。两相流体模型便是其中一种。这种方法的适用程度视问题而异，但绝大多数情况下，计算极为复杂。因此，目前尚不能在实际设计中广泛运用。但是，可以用这种方法研究如何改善工程基本特性和分析变化趋势。例如，用于反应堆事故分析。 （5）普适现象分析法。普适现象是指与流型、分析模型及具体系统无特殊联系的一些普遍物理现象。据此建立的分析方法便称为普适现象分析法。例如，运用波动原理、极值原理等求解所研究的物理问题。 上述仅是在气液两相流动分析中的一些主要研究方法，其他诸如时间序列分析方法与现代谱估计方法、神经网络分析方法、流动层析成像分析方法、系统辨识分析法等在气液两相流动研究中也有所运用。 1.3　基本宏观物理量 1.3.1　相标识 1.独立变量 两相流中通用的独立变量与单相流一样，包括空间坐标与时间变量。空间坐标是一个矢量，可以采用标量化的三个坐标x，y，z表示；时间通常采用t表示。 2.因变量 通常采用的因变量与单相流一样，它们包括速度、压力、温度等。由于各相中的速度、温度和压力各不相同，所以，分别用下标表示两相的特性参数。 本书用下标s表示固相，下标l表示液相，下标v表示气相，下标lv表示给定工况下的气液两相特性参数差值。 1.3.2　基本物理量 两相流动中基本物理量与单相流在很多方面是一样的，但在气液两相流动中，两相流体各自都有相应的流动参数，为了描述和研究两相流动现象，需要引入更多的基本物理量[2，5]。 1.质量流量 两相流体的总质量流量为，单位为kg/s，定义为单位时间内流过任一流道截面的气液混合物的总质量。每一相的质量流量与总质量流量关系为 （1-3-1） 2.质量流速 流道单位截面所通过的质量流量称为质量流速或质量流密度，单位为kg/（m2 s），用G表示两相流质量流速、Gv表示气相质量流速和Gl表示液相质量流速。例如 （1-3-2） （1-3-3） （1-3-4） 其中：分别表示气、液相密度。 可见质量流速是以流道面积作为定义标准的，因此有 （1-3-5） 3.体积流量 两相流动的总体积流量为Q，单位为m3/s，定义为单位时间内流经任一流道截面的气液混合物的总体积。显然，总体积流量为每一相体积流量之和，即 （1-3-6） （1-3-7） （1-3-8） 4.相速度 相速度就是气液相的真实平均速度，气相的相速度定义为 （1-3-9） 液相的相速度定义为 （1-3-10） 5.表观速度 表观速度又称体积流密度，单位为m/s，定义为单位流道截面上的体积流量用j表示两相流表观速度、表示气相表观速度和表示液相表观速度。例如 （1-3-11） （1-3-12） （1-3-13） 其中j实际上是两相流混合物体心平均速度。可见两相流总的表观速度是气液相经过截面权重后的平均速度。 6.空泡份额 空泡份额是指两相流中某一截面上，气相所占截面与两相流道截面之比。其表达式为 （1-3-14） 式中：，分别为气相和液相所占的流道截面积。同理 （1-3-15） 称为截面含液率。 由式（1-3-9）、式（1-3-10）、式（1-3-12）～式（1-3-15）可得 （1-3-16） （1-3-17） 7.流动体积份额（或体积含气率） 流动体积份额或体积含气率是指单位时间，流过通道某一截面的两相流总体积中，气相所占的比例份额。其表达式为 （1-3-18） 同样，体积含液率为 （1-3-19） 由式（1-3-12）与式（1-3-18），可得 （1-3-20） 8.滑速比 两相流体中气相速度可能不等于液相速度，亦即两相之间存在滑动。将两相流中的气相速度比上液相速度定义为滑速比，用S来表示，即 （1-3-21） 9.质量含气率 质量含气率经常称为含气率或干度，它是指单位时间内，流过通道某一截面的两相流中气相质量流量所占总质量流量的比例份额，也称为流动质量含气率，用x表示，即 （1-3-22） 而流动质量含液率为 （1-3-23） 通常由式（1-3-22）与式（1-3-23）得到的含气率在0到1的范围。 在热力学中，经常使用静态含气率或热力学含气率的概念。它是由热平衡方程定义的含气率，可根据两相流所处的热力学状态求得含气率为 （1-3-24） 式中：为两相流体的焓；为两相流体中饱和汽的焓；为两相流体中饱和液的焓；称为汽化潜热。对同一种工质的两相流，如水与水蒸气，在欠热沸腾的情况下，两相流体的焓小于饱和水的焓，x小于零。对于过热蒸汽，两相流体的焓大于饱和汽的焓，则x大于1。因此热力学含气率可以小于零也可以大于1，这是它与流动质量含气率的主要差别。 根据以上参数的定义可以导出质量动态含气率x与、、、的关系，即 （1-3-25） （1-3-26） （1-3-27） （1-3-28） （1-3-29） （1-3-30） 从以上式子可以看出，当S=1时，同样，两相之间没有相对滑动时。其中，式（1-3-28）～式（1-3-30）是一个非常有用的关系式，表明在两相流的测量中，三者之间只要测得其中两个参数，相当于测得第三个参数，即在实践中，我们可以利用较为容易测量的参数来获得不易测得的参数。 例1-3-1　压力为0.1MPa与6.8MPa的蒸汽-水混合物系统，水蒸气的质量含气率x为2，滑速比S=1，分别计算对应的空泡份额。 解　读者可查水蒸气表得：在0.1MPa工况下，在6.8MPa工况下。由此得知在0.1MPa与6.8MPa工况下的空泡份额分别为 例1-3-1说明，即使含气率很小，在压力较小时，空泡份额数值已相当大，流场的不均一性相当可观。因此，必须充分注意两相不均一性带来的影响[2]。并且，不均一性程度随压力不同而不同，在低压下尤为显著。 10.真实密度 在许多场合，需要将两相混合物作为一个整体而不是分别针对每一相进行描述，如混合物的密度。混合物密度又称为两相流体的真实密度，是单位体积内两相流体的质量，它反映了存在于流道中的两相介质的实际密度。任意微元体Adz中的两相混合物的质量是 （1-3-31） 因此，真实密度或混合物密度定义为 （1-3-32） 对应于真实密度或混合物密度的比容为 （1-3-33） 式中：，分别为液相、气相的比容。按照混合物密度的定义可得 （1-3-34） 11.流动密度 流动密度是单位时间内流过流道任一截面的两相混合物质量流量与体积流量之比，即 （1-3-35） 对应于流动密度的比容为