多相流體力學(xué)作業(yè)(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上多相流體力學(xué)作業(yè)院系：能源與動(dòng)力工程學(xué)院專業(yè)：動(dòng)力工程學(xué)號(hào)：姓名： 2012年7月10日多相流技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀自然界中物體的形態(tài)是多種多樣的,但最常見的為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。處于固態(tài)的物體稱為固體,處于液態(tài)的物體稱為液體,處于氣態(tài)的物體稱為氣體。由于熱力學(xué)中將物體中每一個(gè)均勻部分稱為一個(gè)相,因此,各部分均勻的固體、液體和氣體可分別稱為固相物體、液相物體和氣相物體或統(tǒng)稱為單相物體。由于液體和氣體具有流動(dòng)的特性,兩者一般統(tǒng)稱為流體。因此,各部分均勻的氣體或液體的單獨(dú)流動(dòng)可稱為單相流體的流動(dòng)或簡(jiǎn)稱為單相流。當(dāng)流體各部分之間存在差異時(shí),這一流體稱為多相流體。例如,氣體和液體的混合

2、物,氣體和固體顆粒的混合物,液體和固體顆粒的混合物以及氣體、 液體和固體顆粒的混合物等都是多相流體。多相流體簡(jiǎn)稱為多相流。多相流的特點(diǎn)為在多相流中各相之間存在分界面,且該分界面隨著流動(dòng)在不斷變化。例如,水夾帶著氣泡在管子中流動(dòng),水和每個(gè)氣泡之間都存在分界面。但是在流動(dòng)過程中,每個(gè)氣泡在水中的形狀和位置隨時(shí)在變化,小氣泡有時(shí)還會(huì)合并成較大氣泡。因而水和氣泡的分界面隨著流動(dòng)是在不斷變化的。所以,一般可將多相流定義為存在變動(dòng)分界面的多種獨(dú)立物質(zhì)組成的流動(dòng)。由于固體物質(zhì)具有一定的形狀和體積,因而固體是無法與氣體或液體混合成均勻的單相流體的。因此,由固體顆粒與氣體或液體組成的混合流動(dòng)均屬多相流。各種液體

3、混合在一起,有時(shí)可成為一種單相流體,如水與酒精的混合物;有時(shí)則不能,例如,水與油的混合或水與水銀的混合等。因此,各種液體的混合流動(dòng)可能是單相流,也可能是多相流。各種氣體混合時(shí),由于氣體的擴(kuò)散性強(qiáng),一般都能混合均勻,成為一種單相流體。因此,各種氣體的混合物流動(dòng)均可視為單相流。 多相流根據(jù)參與流動(dòng)各相的數(shù)目一般可分為兩相流和三相流兩類,其中尤以兩相流最常見。兩相流這一術(shù)語在20世紀(jì)30年代首先出現(xiàn)于美國一些研究生論文中。隨后逐漸見于正式出版的學(xué)術(shù)刊物上。兩相流可分為四種:氣體和液體一起流動(dòng)的稱為氣液兩相流;氣體與固體顆粒一起流動(dòng)的稱為氣固兩相流,液體與固體顆粒一起流動(dòng)的稱為液固兩相流;兩種不能均勻

4、混合的液體一起流動(dòng)的稱為液液兩相流。三相流可分為兩種:氣體、液體和固體顆粒共同流動(dòng)的稱為氣液固三相流;兩種不能均勻混合的液體和氣體一起流動(dòng)的稱為液液氣三相流。當(dāng)然,也存在氣體、多種不能均勻混合的液體和固體顆粒一起流動(dòng)的工況。這種流動(dòng)可以根據(jù)參與流動(dòng)各相的數(shù)目另行命名。 還可以根據(jù)參加流動(dòng)的各組分對(duì)多相流進(jìn)行分類。以氣液兩相流為例,可分為單組分氣液兩相流與雙組分氣液兩相流。例如,水蒸汽和水的組分是相同的,其分子式均為 H2O ,只是水汽化后變成了水蒸汽。所以汽水混合物的流動(dòng)屬于單組分氣液兩相流?？諝夂退慕M分是不同的, 所以空氣和水的混合物流動(dòng)屬于雙組分氣液兩相流。單組分氣液兩相流在流動(dòng)過程中根

5、據(jù)壓力變化的不同有可能發(fā)生相變,即部分液體能汽化為蒸汽或部分蒸汽凝結(jié)為液體。雙組分氣液兩相流中不同組分流體之間是不會(huì)發(fā)生含量變化的,但在同組分流體中根據(jù)壓力變化也有可能發(fā)生相變。 根據(jù)換熱情況的不同,多相流還可分為與外界無加熱或冷卻等熱量交換過程的絕熱多相流和有熱量交換的多相流。在有熱交換的多相流中伴隨著流動(dòng)過程常會(huì)發(fā)生單組分工質(zhì)的相變(即液體汽化成蒸汽或蒸汽凝結(jié)成液體)。多相流體力學(xué)是研究多相流體在絕熱流動(dòng)或具有熱交換流動(dòng)時(shí)的力學(xué)的科學(xué),因而其形成與發(fā)展過程是和流體力學(xué)以及傳熱學(xué)等學(xué)科的發(fā)展關(guān)系密切,并且這些學(xué)科的發(fā)展都和世界經(jīng)濟(jì)與工程技術(shù)的進(jìn)展有著密切的關(guān)系。 多相流在自然界、工程設(shè)備乃至

6、日常生活中都是廣泛存在的。自然界中常見的夾著灰粒、塵埃或雨滴的風(fēng),夾著泥沙奔流的河水以及湖面或海面上帶霧的上升氣流等均為多相流的實(shí)例。在日常生活中常見的煙霧,啤酒夾著氣泡從瓶中注入杯子的流動(dòng)過程以及沸騰的水壺中水的循環(huán)也都屬于多相流的范疇。 嚴(yán)格地說,即使在一般認(rèn)為是單相流體的液體和氣體中也往往含有另一相的成分在內(nèi)。例如,當(dāng)溫度降低時(shí),含于氣體中的水蒸汽就會(huì)凝結(jié),使氣體帶有微量水分。又如在水流中幾乎也總含有少量空氣。但是,在這些情況下,由于氣體或液體中所含另一相數(shù)量微小,所以仍可看作單相流體。 在工程設(shè)備中,多相流工況也是經(jīng)常遇到的。在動(dòng)力、核能、化工、石油、制冷、冶金等工業(yè)中就存在各種氣液兩

7、相流工況。例如,在核電站、火力發(fā)電站中的各種沸騰管、各式氣液混合器、氣液分離器、各種熱交換設(shè)備、精餾塔、化學(xué)反應(yīng)設(shè)備、各式冷凝器及蒸發(fā)器等都廣泛存在氣液兩相流體的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。 氣固兩相流工況在工程中也是常見的。在動(dòng)力、水泥、冶金、糧食加工和化工等工業(yè)中廣泛應(yīng)用的管道氣力輸送就是一種氣固兩相流。氣力輸送中應(yīng)用氣體輸送的固體顆粒是多種多樣的,有煤粉、水泥、礦石、鹽類、谷類以及面粉等。雖然氣力輸送的固體顆粒品種和顆粒尺寸不同,但從本質(zhì)上看都屬于氣固兩相流的范疇。此外,在采用流化床燃燒的鍋爐中,爐膛流化床上空氣和燃料顆粒的流動(dòng)工況以及煤粉鍋爐爐膛中的流動(dòng)工況也都是氣固兩相流工況。 液固兩相流在工程

8、中的典型例子為水力輸送。水力輸送廣泛見用于動(dòng)力、 化工、造紙以及建筑等工業(yè)。在這些工業(yè)中,用水力沿管道輸送的有各種固體顆粒,如煙煤、泥煤、礦料、礦石、鹽類等。也有用水和各種細(xì)顆粒混合成漿狀輸送物進(jìn)行輸送的,如水煤漿、紙漿及建筑材料漿等。其他,像火力發(fā)電廠鍋爐的水力除渣管道中流動(dòng)的水渣混合物也屬液固兩相流的范疇。 至于液液兩相流可用化工中的乳濁液流動(dòng)工況及石油工業(yè)中的油水混合物為其工程實(shí)例。在工程中還存在不少三相流的工況。例如,在漿狀流體中,除存在固相和液相外,有時(shí)還含有氣相(空氣)?；瘜W(xué)工程中采用的各種氣液固三相流化床工況中有氣體、液體和固體顆粒一起流動(dòng)。在油田開采出來的原油中,除去原油和天然

9、氣外還帶有水。這些流體的流動(dòng)工況都屬于三相流的范疇。在油田開采出來的流體中,有時(shí)除原油、氣體和水外還夾有沙粒,這種流體的流動(dòng)就屬于四相流。多相流體力學(xué)是研究多相流體在絕熱流動(dòng)或具有熱交換流動(dòng)時(shí)的力學(xué)的科學(xué),因而其形成與發(fā)展過程是和流體力學(xué)以及傳熱學(xué)等學(xué)科的發(fā)展關(guān)系密切,并且這些學(xué)科的發(fā)展都和世界經(jīng)濟(jì)與工程技術(shù)的進(jìn)展有著密切的關(guān)系。目前處理多相流的問題，大多是從宏觀出發(fā)，根據(jù)單相流體的連續(xù)性理論，對(duì)多相流加以修正。為了進(jìn)一步闡明多相流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，各國學(xué)者十分重視對(duì)多相流機(jī)理的研究，以便從微觀出發(fā)來研究多相流的問題。 美、德、俄等國在20世紀(jì)20年代已開始了多相流體力學(xué)的研究,日本始于50年代,我

10、國在60年代也開始了這方面的研究工作。我國在多相流體力學(xué)和傳熱方面的研究工作開展得十分活躍,舉辦了一系列多相流與傳熱的國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議,建立了動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。許多高等院校和中國科學(xué)院相關(guān)研究所都在積極開展多相流與傳熱方面研究工作并取得不少重要成果。我國多相流技術(shù)始于上世紀(jì)70年代，當(dāng)初的計(jì)劃是用于發(fā)展海上大型氣田和凝析氣田。這就要求更好地掌握管線多相流的現(xiàn)象及水力特性。對(duì)多相流的研究集中在管線內(nèi)氣體和液體的相互影響上，以便使工程技術(shù)人員能按最佳性能設(shè)計(jì)多相流管線。開始此項(xiàng)研究時(shí)，工業(yè)界對(duì)未處理的油井采出物以及“間歇流”對(duì)立管、平臺(tái)上層結(jié)構(gòu)和陸上設(shè)施三者的設(shè)計(jì)影響都不十分了解。自

11、工業(yè)界開始開發(fā)和研制多相泵和多相流量計(jì)以來，眾多的制造公司、經(jīng)營者、技術(shù)集團(tuán)和研究院采用不同的方法從廣泛的角度上進(jìn)行了研究。這是由于技術(shù)人員就增壓和計(jì)量的最佳技術(shù)解決方法缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)所致；唯一共識(shí)的是，一種設(shè)備無論是泵還是流量計(jì)都不可能適應(yīng)于所有的流體條件，如不同的截面含氣率和油水組份等。對(duì)于流動(dòng)結(jié)構(gòu)，日本神戶大學(xué)坂口忠司等研究了水平通道的水流中侵入大氣泡或形成氣穴時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)特性。這種情況在輕水反應(yīng)堆失冷事故，鍋爐水平管中發(fā)生干涸, 水平管中氣液二相流彈狀流動(dòng)以及重力流動(dòng)時(shí)發(fā)生。通過試驗(yàn)求得了大氣泡沿遁道的速度特性及大氣泡運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)聯(lián)式。日本京都大學(xué)荻原良道等研究了下降環(huán)狀二相流薄層液膜中

12、界面波的結(jié)構(gòu)特性，得出了在脈動(dòng)波和擾動(dòng)波結(jié)構(gòu)時(shí)界面波的基本特性。埃及亞歷山大大學(xué)Sorour研究了垂直環(huán)管中泡狀流和彈狀流的轉(zhuǎn)變以及泡狀流時(shí)空氣和水的棍合特性。波蘭沃波雷工業(yè)大學(xué)Troniewski等研究了垂直和水平矩形通道中氣液混合物的流型與壓降，提出了垂直管的通用流型圖，修正了水平管的Baker圖。在核能發(fā)電方面,常規(guī)壓水堆核電站因反應(yīng)堆出口水冷卻劑溫度較低,其發(fā)電效率不高,一般為 30 %左右。新一代的高溫氣冷堆核電站由于采用了新型燃料元件和以氦氣作冷卻劑,可使反應(yīng)堆出口的冷卻溫度大為提高,從而使核電站發(fā)電效率提高到40 %以上。在此新型核電工程中,除蒸汽輪機(jī)、 凝汽器中存在的一系列濕蒸

13、汽兩相流和凝結(jié)問題外,由于其蒸汽發(fā)生器中的給水蒸發(fā)管是由像彈簧一樣的螺旋管構(gòu)成的,所以還要研究這種螺旋管中具有熱交換的汽水混合物的多相流體力學(xué)和沸騰傳熱問題。因此,多相流體力學(xué)也是開發(fā)這種新一代核電站的重要理論基石。在未來可作為可持續(xù)發(fā)展能源之一的托卡馬克型受控核聚變反應(yīng)堆核電站中,核燃料發(fā)生熱核聚變反應(yīng)并釋放出大量熱能。此熱量先由熔解的鋰層吸收并將其傳給置于鋰層中的液態(tài)鉀蒸發(fā)管。使液態(tài)鉀產(chǎn)生鉀蒸汽并以此驅(qū)動(dòng)鉀蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。鉀蒸汽輪機(jī)排出的鉀蒸汽溫度仍較高,可再通入蒸汽發(fā)生器,將其中的水加熱成水蒸汽。自蒸汽發(fā)生器引出的鉀已被凝結(jié)成液態(tài)鉀,可引入液態(tài)鉀蒸發(fā)管循環(huán)使用。自蒸汽發(fā)生器引出的水

14、蒸汽可用來驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。蒸汽輪機(jī)排汽用凝結(jié)器凝結(jié)成水再回入蒸汽發(fā)生器循環(huán)使用。 由上所述可見,要開發(fā)研制這種新型核電站,除了需掌握常規(guī)凝汽式電站中蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的一系列濕蒸汽兩相流和凝結(jié)傳熱理論外,還需研究液態(tài)鉀在管內(nèi)流動(dòng)汽化時(shí)的沸騰換熱的氣液兩相流體力學(xué)問題,鉀蒸汽在鉀蒸汽輪機(jī)中的濕蒸汽流動(dòng)過程和在蒸汽發(fā)生器中的濕鉀蒸汽凝結(jié)問題等。因此,多相流體力學(xué)也是發(fā)展這種新型核電工程的一種重要理論基石。針對(duì)相的分布與份額，加拿大安大略水力研究所Chan等研究了有浸沒的水平式加熱器的容器內(nèi)沿水平管束池沸騰的截面含汽率分布和截面含汽率值，用50毫居鈷-57伽馬密度計(jì)測(cè)定加熱器上部截面含汽率分

15、布，液位和液面波動(dòng)用浮子連接線性變化的差接變壓器(LVDT)檢測(cè)，容器內(nèi)的平均截面含汽率可直接由LVDT測(cè)量得出，也可由局部截面含汽率分布積分求得。在現(xiàn)代制冷工程中,無論是蒸汽壓縮式制冷設(shè)備、溴化鋰吸收式制冷設(shè)備或是新的應(yīng)用熱虹吸原理代替泵的無泵吸收式制冷設(shè)備中都只有在多相流體力學(xué)指導(dǎo)下,掌握其工作機(jī)理才能進(jìn)行開發(fā)和研制。醫(yī)藥衛(wèi)生方面的血清、 疫苗、 藥物乃至眼球等組織器管的低溫保存設(shè)備和冷手術(shù)刀等的設(shè)計(jì)和正常操作均與多相流體力學(xué)理論有著密切的關(guān)系。 在現(xiàn)代葉輪機(jī)械工程中有不少葉輪機(jī)械的工質(zhì)為兩相流體或多相流體,諸如鍋爐排粉機(jī)和引風(fēng)機(jī)中的氣固兩相流體,用于海洋石油開采的油氣混輸泵中的油氣工質(zhì)和

16、汽輪機(jī)尾部葉輪中的濕蒸汽工質(zhì)等。只有掌握葉輪中的多相流體力學(xué)原理,才能設(shè)計(jì)出效率高和運(yùn)行可靠的葉輪機(jī)械設(shè)備。而在多相流數(shù)學(xué)模型方面，美國新澤西史蒂文斯工學(xué)院Dobran用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法提出多相流基本方程組，并與以前的研究結(jié)果進(jìn)行了比較。美國伊利諾斯工學(xué)院Arastoopour等根據(jù)一般流體力學(xué)方法，用連續(xù)性和動(dòng)量平衡原理，提出了單相流體及氣液二相流體通過低透性介質(zhì)(如緊密的沙子)的方程組，并用緊密的沙芯試樣進(jìn)行試驗(yàn)，取得了一致的結(jié)果。對(duì)單相氣體水平通過緊密沙芯試樣，得出線性方程，可求得分析解，并與常用的擴(kuò)散方程解作了比較。在現(xiàn)代宇航工程中,隨著重力的極大減弱,物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)發(fā)生顯著的變化。

17、例如,表面張力、 相變等在失重工況下均會(huì)對(duì)流體流動(dòng)起重要影響作用。以水為例,一杯水在地球上,因杯壁與水的表面張力和重力的作用會(huì)使水表面呈弧形。但在失重時(shí),杯中的水會(huì)在表面張力作用下上升,并沿杯壁溢出。水沸騰形成的汽水混合物在水平管中流動(dòng)時(shí),如存在重力,則較重的水傾向于在管子下部流動(dòng),較輕的汽傾向于在管子上部流動(dòng),形成不對(duì)稱的各種流型。但在失重和微重力狀態(tài)下,多相流體力學(xué)的規(guī)律尚研究甚少。多相流動(dòng)和傳熱過程在空間飛行器的燃料傳輸過程、空間能源或強(qiáng)化傳熱裝置。生命保障系統(tǒng)及空間站系統(tǒng)中都是客觀存在的。因而為發(fā)展現(xiàn)代宇航工程,各主要工業(yè)國均在對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)研究。我國的國家微重力實(shí)驗(yàn)室也在對(duì)微重力下的多

18、相流體力學(xué)進(jìn)行專門的研究。在多相流體動(dòng)力學(xué)方面，美國特拉華大學(xué)Martin等收集了大量氣固二相流摩擦壓降試驗(yàn)數(shù)據(jù)及幾十個(gè)計(jì)算方法，進(jìn)行了全面的評(píng)述和系統(tǒng)的研究，以確定各關(guān)系式用于空氣-固體系統(tǒng)摩擦壓降計(jì)算的可靠性。美國休斯頓Exxon公司Aggour等提出了氣相密度對(duì)雙組分二相垂直流動(dòng)的流型和摩擦壓降的影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)氣體為空氣、氮和氟利昂12，液體為水，所得數(shù)據(jù)與現(xiàn)有模型和關(guān)系式的結(jié)果進(jìn)行比較，以確定其有效性及普遍性。多相流體力學(xué)在現(xiàn)代生物工程中也得到重要應(yīng)用。以發(fā)酵的三相流化床或生物反應(yīng)器為例。反應(yīng)器中的固相為固定化的細(xì)胞顆粒,在顆粒中發(fā)生預(yù)定的生物化學(xué)反應(yīng);液相為細(xì)胞生長(zhǎng)所需的營養(yǎng)液,而氣相則為微生物呼吸所需的氣體。這類三相流化床中可生產(chǎn)乙醇和各種抗生素而其設(shè)計(jì)和運(yùn)行均需以多相流體力學(xué)為指導(dǎo)。現(xiàn)代環(huán)保工程也廣泛用到多相流體力學(xué)理論。廢氣中的粉塵捕集或凈化技術(shù),二氧化硫的洗滌脫硫過程以及各種廢水處理過程均與多相流體力學(xué)有著密切的關(guān)系。此外,在海水淡化工程以及為海洋熱能利用而設(shè)計(jì)的各種鍋爐、 蒸發(fā)器和凝結(jié)器均離不開多相流體力學(xué)的理論指導(dǎo)。由此可見,多相流體力學(xué)對(duì)于指導(dǎo)、發(fā)展和開拓現(xiàn)代工程的作用是十分重要的。隨著