哈工程兩相流第4章-111-優(yōu)質(zhì)課件

1、第四章 截面含氣率的計(jì)算本章主要內(nèi)容： 對(duì)截面含氣率的三類(lèi)計(jì)算方法有明確的認(rèn)識(shí)；學(xué)會(huì)針對(duì)不同的流型采用不同的分析模型計(jì)算截面含氣率；掌握用漂移流模型計(jì)算截面含氣率的方法；掌握欠熱沸騰和飽和沸騰區(qū)截面含氣率的計(jì)算過(guò)程。4.1 概述一.研究截面含氣率 的重要性 又稱(chēng)為空泡份額，是氣液兩相流動(dòng)的基本參數(shù)之一，在兩相流研究中處于重要的地位。 1.真實(shí)流動(dòng)參數(shù)； 2.計(jì)算兩相流壓降，比如采用分相流模型； 3.截面含氣率對(duì)沸騰傳熱有重要影響。二.截面含氣率的計(jì)算方法 1. 根據(jù)截面含氣率定義式，建立計(jì)算滑速比 S 的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。 2. 建立 或 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，或經(jīng)驗(yàn)曲線。 3. 對(duì)兩相流動(dòng)作若干簡(jiǎn)化假設(shè)，進(jìn)

2、而建立計(jì)算的流動(dòng)模型。阿曼德公式：五十年代（1955）范格拉里關(guān)系式 胡馬克關(guān)系式（Hughwork）：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法4.2 滑速比模型計(jì)算法一.奧斯馬奇金公式式中: 全液相弗勞德數(shù); Pcr- 臨界壓力，對(duì)于水 Pcr=22.12MPa.上式，當(dāng) 時(shí)，與試驗(yàn)值的誤差適用于：豎直管，當(dāng)用于水平管時(shí)，要求G1500kg/m2.s二.米洛波爾斯基公式 1. 對(duì)于絕熱流動(dòng)的上升管 上式適用于垂直上升管，介質(zhì)是氣-水混合物。 2. 對(duì)于水平傾角為的傾斜管適用管徑范圍：4.3 混合相-單相并流模型一.混合相-單相并流模型的基本思想和基本假設(shè) 基本思想：把兩相流動(dòng)看成在管壁上流動(dòng)著的是單相液體，管道中間流

3、動(dòng)著的是均勻的氣液混合物。 基本假設(shè): 1.混合相內(nèi)氣液兩相之間沒(méi)有滑動(dòng),s=1； 2.兩相之間處于熱力學(xué)平衡態(tài)，可由質(zhì)量守恒或熱平衡條件確定質(zhì)量含汽率； 3.液相的動(dòng)壓和混合相的動(dòng)壓相等，即兩相速度頭相等。適用于：具有中心夾帶液滴的環(huán)狀流動(dòng)。圖4.1 混合相單相 并流模型二. 模型推導(dǎo)過(guò)程 1.根據(jù)連續(xù)性方程，得出汽相截面含氣率 表達(dá)式 ； 2.引入系數(shù) E( )導(dǎo)出液膜截面含 液率 ； 3.推導(dǎo)出混合相中液相截面含液率 ； 4. ，初步給出 關(guān)系式， 5.根據(jù)假設(shè)(3) ，引入混合相中兩相平均密度 ，導(dǎo)出兩相滑速比與 的關(guān)系式,并計(jì)算給出 表達(dá)式； 6.返回到第4步，經(jīng)推導(dǎo)簡(jiǎn)化，得出 表達(dá)

4、式。三.討論 若 E=1,全部攜帶， E=0,兩相完全分開(kāi)， 即 。四.適用條件 當(dāng)E=0.4時(shí)，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在P=0.1-14.8MPa,G=650-2500 kg/m2.s，D=6-38mm時(shí), 計(jì)算誤差為10% 。當(dāng)x0.01時(shí)，不適用。上節(jié)內(nèi)容回顧：截面含汽率的三類(lèi)計(jì)算方法 根據(jù)截面含氣率定義式 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 和 根據(jù)流型特征建立簡(jiǎn)化模型混合相-單相并流模型4.4 變密度模型1.基本思想 認(rèn)為兩相流既不是完全均勻混合的均勻流體，也不是完全分離的環(huán)狀流動(dòng)，而是液體中存在懸浮氣泡的流動(dòng)。2.基本假設(shè) (1).截面含氣率和速度徑向分布不均勻； (2).在徑向任一位置上，氣

5、相和液相間沒(méi)有相對(duì)滑移； (3).兩相流體是一種密度是徑向位置的函數(shù)，即把兩相流當(dāng)作非均質(zhì)的單相流來(lái)處理。一. 變密度模型的基本思想和基本假設(shè)二.推導(dǎo)過(guò)程1.假設(shè)圓管內(nèi)兩相流的速度和截面含氣率的分布規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)表示；2.給出液體和氣體的質(zhì)量流量表達(dá)式；3.給出通道截面平均含氣率表達(dá)式；4.引入班可夫流動(dòng)參數(shù) K ，推導(dǎo)出平均截面含氣率表達(dá)式。圖4-2 變密度模型5.系數(shù) K 的確定 對(duì)于各種流速和截面含氣率的分布情況， 當(dāng) m=2-7,n=0.1-5 時(shí)， K=0.5-1.0。 (1).雙組分兩相流 Bankoff 將他的計(jì)算結(jié)果與 m-n 的法相比較，得到 K=0.89, (2).汽-水

6、混合物 K=0.71+0.0145 P (P- MPa)6.適用條件 適用于高壓低質(zhì)量含氣率的情況，如泡狀流。1.基本思想 認(rèn)為必須同時(shí)考慮氣液兩相之間的滑移以及流速和空泡份額在流通截面上的不均勻分布。 2.基本假設(shè) (1).氣液兩相之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng); (2).引入分布參數(shù) Co.，考慮空泡份額和兩相流速在流道截面上分布不均勻。4.3 漂移流模型漂移速度 漂移速度指各相的真實(shí)速度與兩相混合物平均速度的差值，m/s。是以?xún)上嗷旌衔锲骄俣茸鳛閰⒄障?，反映氣液兩相之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的程度。 氣相漂移速度： 液相漂移速度：3.漂移流速和漂移通量漂移通量 指各相相對(duì)于平均速度J運(yùn)動(dòng)的截面所流過(guò)的體積通量，m

7、/s。氣相漂移通量：液相漂移通量：氣相漂移通量和液相漂移通量大小相等，方向相反4.兩個(gè)平均值的概念 對(duì)于某個(gè)量 F (1).按截面平均 (2).按空泡份額加權(quán)平均5.推導(dǎo)過(guò)程 (1).按加權(quán)平均定義，給出氣相權(quán)重平均速度和氣相加權(quán)平均漂移通量關(guān)系式； (2).引入分布參數(shù) Co，導(dǎo)出沿通道截面的平均截面含氣率以及兩相滑速比的加權(quán)平均表達(dá)式。截面平均值權(quán)重平均值由可得由可得所以氣體的權(quán)重平均速度同時(shí)有所以（4-59）令將上式代入（4-59）式，則由于即而所以要正確計(jì)算沿通道截面的平均截面含汽率，需考慮兩個(gè)參數(shù)：沿截面的流速和氣相含量的分布規(guī)律各局部位置的兩相之間的相對(duì)速度6.討論 1.兩相間沒(méi)有

8、相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則 2. 和 分布均勻，則 Co=1Bankoff 變密度模型Wallis滑動(dòng)模型 Bankoff變密度模型和Wallis滑動(dòng)模型都是漂移流模型的特殊情況。7.Co 和 的確定 (1)圖解法斜率： 截距： (2).軸對(duì)稱(chēng)圓管內(nèi)分布參數(shù) Co 的確定 1).假定 和 的分布 2).推導(dǎo)得出分布參數(shù) Co 表達(dá)式用 表示用 表示3).討論若 沿截面分布均勻，如霧狀流，則若 ，如穩(wěn)定的泡狀流、彈狀流，則若 ，如過(guò)冷沸騰8.Co 和 的通用試驗(yàn)結(jié)果 (1)Zuber關(guān)系式適用條件： ，泡狀流或彈狀流 (2)垂直上升管中泡狀流 Wallis認(rèn)為氣泡聚合能力較小，單個(gè)氣泡直徑D=1-20mm，他

9、建議 (3). 垂直上升管中攪拌流 Zuber-Staub建議對(duì)于圓管：對(duì)于矩形管：(4) 環(huán)狀流 Ishill提出例題 試根據(jù)漂移流模型推導(dǎo)出S與 之間的關(guān)系4.7 欠熱沸騰區(qū)截面含汽率的計(jì)算一.概述 1.在加熱通道內(nèi)，處理兩相流壓降和傳熱問(wèn)題時(shí)，通常都是按熱平衡原理計(jì)算含汽量 x 。 2.熱力學(xué)平衡：工質(zhì)在通道內(nèi)的同一截面上不存在壓力差和溫度差。 3.在任何加熱沸騰通道中，盡管液體的平均溫度還沒(méi)有達(dá)到飽和溫度，但當(dāng)加熱表面上的溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就可以發(fā)生汽化，這種觀象稱(chēng)為欠熱沸騰(也稱(chēng)過(guò)冷沸騰)。它是由于流體中的熱力學(xué)不平衡而引起的。 二.加熱通道內(nèi)流動(dòng)區(qū)域的劃分圖4-4 流動(dòng)欠熱沸騰分

10、區(qū)圖1、單相流區(qū)2、深度欠熱區(qū) （A點(diǎn)到 B 點(diǎn)）A:過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)3、輕度欠熱區(qū) （B 點(diǎn)到 D點(diǎn)）B:氣泡脫離壁面起始點(diǎn)，又稱(chēng)凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)4、飽和沸騰區(qū)壁面輸入熱量，加熱欠熱流體：ABCD 三. 影響欠熱沸騰的因素 1.熱流密度升高，流道徑向溫度梯度增大，欠熱沸騰影響增大； 2.質(zhì)量流速和壓力升高，欠熱沸騰影響減小。壓力升高，汽化潛熱降低；當(dāng)p=pcr時(shí)，汽化潛熱為零；流速增高，加熱流道內(nèi)的溫度梯度減小。四.欠熱沸騰起始點(diǎn)（A點(diǎn)）的確定當(dāng)從壁面輸入熱量時(shí)，大致有三種論點(diǎn)： 1.第一個(gè)氣泡產(chǎn)生點(diǎn)； 2.壁溫等于飽和溫度 (TW=TS) 的點(diǎn)； 3.壁溫大于飽和溫度，且壁溫變平；或用局部欠熱度

11、來(lái)判定。詹斯洛特斯經(jīng)驗(yàn)式： hf 單相強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)。欠熱沸騰起始點(diǎn)A1.深度欠熱區(qū)的特點(diǎn)：(1).氣泡附在壁面上， 值很小；(2). 沿加熱通道長(zhǎng)度呈線性分布；(3).在欠熱沸騰起始點(diǎn)（A點(diǎn)）以前， 為零。2.凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)B點(diǎn)： 氣泡充滿(mǎn)整個(gè)加熱壁面，并從這點(diǎn)開(kāi)始脫離壁面.五.深度欠熱區(qū)截面含汽率的確定B點(diǎn)處的截面含汽率由于A點(diǎn)到B點(diǎn)的截面含汽率是線形變化氣泡膜的平均厚度 ：3.深度欠熱區(qū)任一點(diǎn)處的截面含汽率氣泡的平均半徑 ：圖4-4 流動(dòng)欠熱沸騰分區(qū)圖1、單相流區(qū)2、深度欠熱區(qū) （A點(diǎn)到 B 點(diǎn)）A:過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)(ONB) 3、輕度欠熱區(qū) （B 點(diǎn)到 D點(diǎn)）B:氣泡脫離壁面起始點(diǎn)，又稱(chēng)

12、凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)(FDB)4、飽和沸騰區(qū)ABCD式中： 實(shí)驗(yàn)常數(shù) 系統(tǒng)壓力，MPa; 1.布朗經(jīng)驗(yàn)公式六.氣泡脫離壁面起始點(diǎn)（B點(diǎn)）欠熱度確定2.薩哈-朱伯關(guān)系式 薩哈和朱伯等人認(rèn)為，凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)必須滿(mǎn)足熱力和流體力學(xué)兩方面的限制，在低質(zhì)量流量時(shí)，氣泡的冷凝取決于熱擴(kuò)散過(guò)程。 局部努塞爾數(shù)由牛頓放熱公式:反映了對(duì)流傳熱與導(dǎo)熱分子擴(kuò)散的比較 在高質(zhì)量流量時(shí)，即在流體動(dòng)力支配區(qū)，如果認(rèn)為附在壁面上的氣泡象表面粗糙度那樣影響流動(dòng)，那么，脫離的氣泡應(yīng)當(dāng)相應(yīng)于某個(gè)特定的粗糙度。 局部斯坦夫數(shù) St：可視為一種修正的Nu數(shù)，或可以視為流體實(shí)際的換熱熱流密度與流體可傳遞最大熱流密度之比。對(duì)于實(shí)際的流動(dòng)工況，Nu

13、數(shù)和St數(shù)哪個(gè)更適合？貝克列數(shù)Pe: 圖4-5 氣泡脫離壁面條件熱擴(kuò)散率: Pe數(shù)的求解：七.氣泡脫離壁面起始點(diǎn)（B點(diǎn)）的確定 根據(jù)熱平衡方程：1.計(jì)算Pe數(shù)判別流態(tài)， 時(shí)，流動(dòng)處于熱支配區(qū)， 時(shí)，流動(dòng)處于流體動(dòng)力支配區(qū)。 總結(jié)：用saha-zuber法判定ZB2.根據(jù)不同區(qū)域，選取相應(yīng)計(jì)算公式，求得B點(diǎn)過(guò)冷度3.采用熱平衡方程，求得ZB八.輕度欠熱區(qū)截面含汽率的計(jì)算 1.B 點(diǎn)的熱平衡含汽率由熱平衡方程2.輕度欠熱區(qū)任一點(diǎn)的熱平衡含汽率式中，io為該點(diǎn)處單位質(zhì)量流體的總焓值。3. 和 確定后，薩哈-朱伯建議用以下公式計(jì)算的 Zo 點(diǎn)真實(shí)質(zhì)量含汽率XT 上式也可以用于飽和沸騰區(qū)含汽率的計(jì)算。因?yàn)樵陲柡头序v區(qū) xo較大，代入上式可得 4.輕度欠熱區(qū)