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(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(jì)算方法（兩相流基本參數(shù)及其計(jì)算方法（3 3學(xué)時）學(xué)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(xué)時）學(xué)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(xué)時）學(xué)時）第四章第四章 截面含氣率的計(jì)算（截面含氣率的計(jì)算（7 7學(xué)時）學(xué)時）第五章第五章 直管的兩相流壓降計(jì)算（直管的兩相流壓降計(jì)算（8 8學(xué)時）學(xué)時）第六章第六章 兩相流局部壓降計(jì)算（兩相流局部壓降計(jì)算（2 2學(xué)時）學(xué)時）第七章第七章 兩相臨界流動（兩相臨

2、界流動（3 3學(xué)時）學(xué)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(xué)時）學(xué)時）課程重點(diǎn)n熟練掌握兩相流基本參數(shù)的定義，表達(dá)式及計(jì)算方法。熟練掌握兩相流基本參數(shù)的定義，表達(dá)式及計(jì)算方法。 n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，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。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(jì)算方法有明確的認(rèn)識，掌握用漂對截面含氣率的三類計(jì)算方法有明確的認(rèn)識，掌握用漂移流模型計(jì)算截面含氣率的方法，了解欠熱沸騰區(qū)截面移流模型計(jì)算截面含氣率的方法，了解欠熱沸騰區(qū)截面含氣率的計(jì)

3、算過程。含氣率的計(jì)算過程。n掌握用均掌握用均相相流模型及分相流模型計(jì)算直管內(nèi)的摩擦壓降、流模型及分相流模型計(jì)算直管內(nèi)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(jì)算熱平衡條件下受熱及不受熱流道的兩相總壓降。能計(jì)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(jì)算長孔道內(nèi)臨界質(zhì)量流速，掌握短能分別用三個模型計(jì)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(jì)算?？椎纼?nèi)臨界流的特征及臨界質(zhì)量流速的計(jì)算。n1.1 基本概念基本概念n1.2 氣相介質(zhì)含量氣相介質(zhì)含量n1.3 兩相流的流量和

4、流速兩相流的流量和流速n1.4 兩相介質(zhì)密度及比容兩相介質(zhì)密度及比容n1.5 加熱通道內(nèi)沸騰段長度的確定加熱通道內(nèi)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(jì)算方兩相流基本參數(shù)及其計(jì)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(xué)性質(zhì)理、化學(xué)性質(zhì)的的均勻均勻物質(zhì)成份，各相之間有物質(zhì)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(zhì)分為上可以把物質(zhì)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：單相單相物質(zhì)的流動。物質(zhì)的流動。3.3.兩兩相流：固體、液體、氣體三個相

5、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 3、氫氣和氮?dú)?、氫氣和氮?dú)?6 6、水和冰、水和冰 1.1.1 兩相流的分類兩

6、相流的分類（1 1）按化學(xué)成份分為）按化學(xué)成份分為 單組分兩相流單組分兩相流：同一種化學(xué)成分的物質(zhì)的兩種相：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(xué)成分的兩種物質(zhì)處于同不同化學(xué)成分的兩種物質(zhì)處于同一個系統(tǒng)內(nèi)的流動，如空氣一個系統(tǒng)內(nèi)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為 絕熱兩相流絕熱兩相流無相變，無相間質(zhì)量交換。如汽水無相變，無相間質(zhì)量交換。如汽水分離。

7、分離。 加熱兩相流加熱兩相流有相變，有相間質(zhì)量交換。如沸有相變，有相間質(zhì)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(zhì)所處的物態(tài)可分為）按兩相物質(zhì)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(fēng)沙，煙氣風(fēng)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(shè)備中廣泛氣液兩相流在核能、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、存在，如核反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器等

8、設(shè)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(fù)雜性，多變性的特點(diǎn)，測量手段有兩相流具有復(fù)雜性，多變性的特點(diǎn)，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(xué)的一個分支，可在單相流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)研究的基礎(chǔ)上，考慮氣液兩相之間的相互體力學(xué)研究的基礎(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)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。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研究氣液兩相流的目的及解決方法1.2.1 1.2.

9、1 定義定義 氣相介質(zhì)含量表示氣相介質(zhì)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(zhì)量含氣率質(zhì)量含氣率x x （干度）（干度） 單位時間單位時間內(nèi)，流過通道內(nèi)，流過通道某一截面某一截面的兩相流體的兩相流體總質(zhì)量總質(zhì)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(zhì)量流量質(zhì)量流量，kg/skg/s。那么，那么，質(zhì)量含液率質(zhì)量含液率( (濕度濕度) )可以表示為可以表示為1.2 氣相介質(zhì)含量氣相介質(zhì)含量MMxMMMM M 1MMxMMM 又稱為又稱為熱平衡熱平衡含汽率，它是由

10、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(xué)平衡（）熱力學(xué)平衡（thermodynamic equilibrium) thermodynamic equilibrium) 系統(tǒng)內(nèi)既無壓力梯度和溫度梯度，且該系統(tǒng)內(nèi)所系統(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、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。熱平衡和化學(xué)平衡。 （2 2）熱平衡方程）熱平衡方程式中，式中，i i

11、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 riixs2.2.熱力學(xué)含汽率熱力學(xué)含汽率x xrxiis汽化潛熱汽化潛熱飽和水焓飽和水焓（3 3）討論）討論 當(dāng)當(dāng) ，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(dāng)當(dāng) ，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(zhì)量含汽率熱平衡含汽率等于質(zhì)量含汽率； 當(dāng)當(dāng) ，過熱蒸汽，單相汽體。，過熱蒸汽，單相汽體。ssttxii, 0,sssttxiii , 10 ,ssttxii , 1, 指指單位時間單位時間內(nèi)流過內(nèi)流過某一截面某一截面的的兩相總?cè)莘e兩相總

12、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(zhì)的相介質(zhì)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(zhì)量含氣質(zhì)量含氣率率x與與的關(guān)系的關(guān)系3.3.容積含氣率容積含氣率 xxx1VVVVV1VVVVVV V4.4.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

13、含液率（截面含液率（1-)1-) 1AAAAAAAAA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(guān)系和x,)2(111MMMxxWWxxAAAa 111（1-121-12）（1-131-13）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

14、之間滑動的大小可以表示為可以表示為WSW,1,WW S,1,WW SSaa 1111,crPP（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(dá)式形式幾種表達(dá)式形式 1. 1.質(zhì)量流量和質(zhì)量流速質(zhì)量流量和質(zhì)量流速 總質(zhì)量流量總質(zhì)量流量M M：單位時間單位時間內(nèi)流過內(nèi)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(zhì)量總質(zhì)量,kg/s.,kg/s. 總質(zhì)量流速總質(zhì)量流速G G：又稱為：又稱為質(zhì)量流密度質(zhì)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(zhì)量流量質(zhì)量流量,kg/m,kg/m2 2.s.s.每一相的質(zhì)量流速與總質(zhì)量流速的關(guān)系每一相的質(zhì)量流速與

15、總質(zhì)量流速的關(guān)系MMM(1)MMGGGx GxGAAMGA 總?cè)莘e流量總?cè)莘e流量：單位時間單位時間內(nèi)，流過通道內(nèi)，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(shí)平均速度液相真實(shí)平均速度，m/sm/s： 氣相真實(shí)平均速度氣相真實(shí)平均速度, , m/sm/s：VMGWAA MMVVV1VMGWAA 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(zhì)量表觀質(zhì)量流速流速（superficial flow fluxsuperficial flow flux）,

16、 , 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(zhì)中，表示兩相介質(zhì)中氣相單獨(dú)流氣相單獨(dú)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(zhì)中，表示兩相介質(zhì)中液相單獨(dú)流液相單獨(dú)流過同一通道時的速度過同一通道時的速度, ,m/sm/s. .gfVVVJJJAAAgVVJWAA1fJWgJW 11fVVJWAA討論討論當(dāng)氣液兩相無相對運(yùn)動時當(dāng)氣液兩相無相對運(yùn)動時當(dāng)氣液兩相

17、存在相對運(yùn)動，且當(dāng)氣液兩相存在相對運(yùn)動，且 ，則，則WJWWWS , 1WW WJW 漂移速度漂移速度：各相真實(shí)各相真實(shí)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：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(yùn)動的運(yùn)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： gmWWJ11fmfgAJWJWJJJJJAfmWWJgmgAJWJJJA3.3.漂移速度和漂移通量漂移速度和漂移通量 gmfmJJ 循環(huán)速度循環(huán)速度：與兩相混合物：與兩相

18、混合物總質(zhì)量流量總質(zhì)量流量M M相等的相等的液相液相介質(zhì)流過介質(zhì)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(nèi)，流過通道內(nèi)，流過通道某一截面某一截面的的兩兩相介質(zhì)總質(zhì)量相介質(zhì)總質(zhì)量與其中與其中氣相質(zhì)量氣相質(zhì)量之比，也就是之比，也就是質(zhì)量含氣率質(zhì)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 ogfMWJJA(1)fgogJJJWJ gojWxMMK1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

19、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(shí)際產(chǎn)生一公斤蒸汽需管中實(shí)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(cè)流動狀對于蒸汽發(fā)生器而言，其循環(huán)倍率是表征

20、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)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)倍率大于倍率大于2 23 3，但隨著運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，目前各國傾向于，但隨著運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(jì)狀態(tài)時應(yīng)大于提高循環(huán)倍率，一般認(rèn)為在設(shè)計(jì)狀態(tài)時應(yīng)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

21、液或干涸。一般要求管束進(jìn)出口處的蒸汽含量不超過液或干涸。一般要求管束進(jìn)出口處的蒸汽含量不超過20%20%25%25%，相當(dāng)于循環(huán)倍率大于相當(dāng)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(dǎo)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(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。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(dǎo)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(dǎo)致污垢沉積或濃縮。從防

22、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。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 SWWWxd Saa 1111 aaxxWWS11aSWW , 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(zhì)密度及比容兩相介質(zhì)密度及比容 1.1.兩相介質(zhì)

23、密度表示方法兩相介質(zhì)密度表示方法 1 1）兩相介質(zhì)的）兩相介質(zhì)的流動密度流動密度 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。體積之比。 2 2）兩相介質(zhì)的）兩相介質(zhì)的真實(shí)密度真實(shí)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(shí)際密度。道中的兩相介質(zhì)的實(shí)際密度。1mMV1o mo 和和 的關(guān)系：的關(guān)系：ommo1).1).當(dāng)當(dāng)S=1S=1時時, , , 所以所以，均質(zhì)流動；，均質(zhì)流動；1S mo2). 當(dāng)當(dāng)時，時， ,moS1: ,則則, S1: mo,則則 單位時間內(nèi)流過流道某一截面的兩相介質(zhì)體積和單位時間內(nèi)流過流道某一截面的兩相介質(zhì)體積和質(zhì)量之比質(zhì)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 M11mmVvxvx vM11Ax v Sxvvxx S2211Mxvx vv2. 2