第三章--多相流及其測(cè)量方法.ppt

1、1.第三章：多相流及其測(cè)量方法。1.理解多相流的概念。2.熟悉工業(yè)上常見(jiàn)的兩相和多相流的分類(lèi)和特性。3.了解多相流的基本特征參數(shù)。4.熟悉水平管道中兩相流的主要流型。5.了解兩相流主要參數(shù)的測(cè)量方法。主要內(nèi)容如下：2 .物理學(xué)：自然界的物理狀態(tài)，如固體、液體和氣體；熱力學(xué)：物體的每個(gè)均勻部分都可以有固相、液相和氣相，它們統(tǒng)稱(chēng)為單相物體；動(dòng)力學(xué)：一組具有相似動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的物體，其中一種狀態(tài)可以是單相或多相，通常是指具有相同組成和物理化學(xué)性質(zhì)的均勻材料部分，也應(yīng)該是單一物質(zhì)狀態(tài)，如固體、液體和氣體。氣體或液體在各部分的均勻流動(dòng)可稱(chēng)為單相流；在多相流的研究中，通常稱(chēng)之為固相、液相和氣相。一般來(lái)說(shuō)，相之

2、間有明顯可分離的界面。多相流是指一種特殊的流動(dòng)問(wèn)題，它必須考慮兩相共存且有明顯流動(dòng)界面的混合流的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。3.1多相流的概念，1。階段概念，2。多相流、單相流和多相流的介紹：在物理學(xué)中，物質(zhì)有四種狀態(tài)或四個(gè)相：固體、液體、氣體和等離子體。如果不考慮電磁特性，等離子體相也可以并入氣相。單相流：?jiǎn)蜗辔镔|(zhì)的流動(dòng)稱(chēng)為單相流，兩種均勻混合的氣體或液體的流動(dòng)也屬于單相流。多相流：同時(shí)具有兩相或多相的物質(zhì)的混合流是兩相或多相流。在多相流動(dòng)力學(xué)中，所謂的相不僅通過(guò)物質(zhì)的狀態(tài)來(lái)區(qū)分，而且通過(guò)它們的化學(xué)成分、尺寸和形狀來(lái)區(qū)分，即具有不同化學(xué)成分、尺寸和形狀的物質(zhì)可以屬于不同的相。在兩相流的研究中，物質(zhì)被分為連續(xù)

3、介質(zhì)和離散介質(zhì)。連續(xù)相或流體相：氣體和液體屬于連續(xù)介質(zhì)分散相或顆粒相；固體顆粒、液滴和氣泡屬于離散介質(zhì)。由流體相和顆粒相組成的流動(dòng)稱(chēng)為兩相流。顆粒相可以是具有不同狀態(tài)、不同化學(xué)成分、不同尺寸或不同形狀的顆粒。有時(shí)，這種兩相流被稱(chēng)為多相流。3.1多相流及其特性簡(jiǎn)介，兩相流可以是同向的“同向流”，也可以是反向的“逆向流”，以及兩種流之間的流動(dòng)，如氣液兩相流，其中液相的平均速度為零或液相的平均速度垂直于氣相的速度。4、3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征，1、常見(jiàn)兩相和多相流，(1)氣液兩相流；(2)氣固兩相流；(3)液固兩相流；(4)液-液兩相流；(5)氣-液-液、氣-液-固和液-液-固多相流。(1)氣液

4、兩相流氣體和液體物質(zhì)混合在一起流動(dòng)，稱(chēng)為氣液兩相流。分為單一組分(如水-蒸汽-蒸汽-液體兩相流):蒸汽和液體具有相同的化學(xué)組成，蒸汽-液體兩相流會(huì)隨著壓力和溫度的變化而發(fā)生相變，即部分液體會(huì)汽化成蒸汽或部分蒸汽冷凝成液體；雙組分化學(xué)組成(如空氣-水-氣-液兩相流):兩相具有不同的化學(xué)組成，氣-液兩相流在流動(dòng)過(guò)程中一般不發(fā)生相變。根據(jù)不同傳熱條件，可分為不與外界進(jìn)行熱交換如加熱或冷卻的絕熱多相流或進(jìn)行熱交換的多相流。3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征，6，第1章，(2)氣固兩相流稱(chēng)為氣固兩相流。氣固兩相流在自然界和工業(yè)過(guò)程中隨處可見(jiàn)：空氣中夾帶的灰粒和灰塵、沙漠沙、飛雪、冰雹、氣力輸送、氣流干燥、煤粉

5、燃燒、石油催化裂化、礦物流化焙燒、氣力浮選、流態(tài)化等工藝或技術(shù)廣泛然而，當(dāng)流體中存在大量的小固體顆粒時(shí)，如果流體的流速足夠大，這些固體顆粒的特性與普通流體的特性相似，也就是說(shuō)，這些固體顆?？梢员徽J(rèn)為是假流體，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以被視為流體流。在流體力學(xué)中，雖然流體分子之間有間隙，但人們總是把流體看作是一種連續(xù)的介質(zhì)，它充滿(mǎn)整個(gè)空間，沒(méi)有間隙。由于兩相流的研究不是單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)特性，而是大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均特性，雖然粒子的數(shù)密度(每單位體積混合物的粒子數(shù))遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于每單位體積的流體分子數(shù)(在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，每立方厘米體積的氣體分子數(shù)為2.71019)，當(dāng)存在許多懸浮粒子時(shí)，人們?nèi)匀豢梢约僭O(shè)分散在流體中的粒

6、子是填充整個(gè)空間而沒(méi)有間隙的流體。3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征；7.第一章引入偽流體假設(shè)后，氣固兩相流就像兩種流體混合物的流動(dòng)一樣，可以用流體力學(xué)和熱力學(xué)的方法求解，從而大大簡(jiǎn)化了兩相流的研究。然而，偽流體不是真實(shí)的流體，粒子和氣體分子之間、兩相流和連續(xù)介質(zhì)流之間有許多區(qū)別。因此，在使用擬流體假設(shè)時(shí)應(yīng)特別注意適用條件：(1)氣體分子與懸浮粒子的主要區(qū)別在于氣體分子之間的強(qiáng)相互作用和粒子之間的弱相互作用；(2)氣體的體積，它的溫度；當(dāng)v，它的t時(shí)，懸浮在氣體中的粒子只能在氣體粘滯力的作用下運(yùn)動(dòng)，但粒子t不隨粒子v而變化；(3)氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生壓力，但粒子布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力很小。(4)氣體

7、中的擾動(dòng)通過(guò)壓力波(分子間相互作用)傳播，而粒子中的擾動(dòng)只能沿著粒子軌跡傳播；(5)氣體可以膨脹和壓縮，其比熱可分為恒壓比熱和定容比熱，但固體顆粒只有一個(gè)比熱；在處理顆粒相的運(yùn)動(dòng)時(shí)，有些方面認(rèn)為它是流體，但其他方面必須考慮顆粒相本身的特性。3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征，8。在第一章中，根據(jù)擬流體假設(shè)，顆粒相的密度可以定義為連續(xù)介質(zhì)的密度：對(duì)于氣體，為了得到小于1%的統(tǒng)計(jì)平均波動(dòng)，極限體積應(yīng)該包含104個(gè)氣體分子。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，含有104個(gè)氣體分子的體積為0.1um3。在實(shí)際工程應(yīng)用中，這個(gè)體積比氣體流動(dòng)系統(tǒng)的特征尺寸小得多，所以這個(gè)體積可以看作一個(gè)點(diǎn)，所以氣體可以看作是一種連續(xù)介質(zhì)。對(duì)于兩相流

8、，以懸浮在空氣中的煤粉顆粒為例，當(dāng)氣固比為1時(shí)，含有104個(gè)顆粒的立方體的邊長(zhǎng)與粒徑之比為102，當(dāng)煤粉顆粒的直徑為100um時(shí)，立方體的邊長(zhǎng)為1cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體極限體積。然而，如果流動(dòng)系統(tǒng)的特征尺寸比這個(gè)尺寸大得多，則體積仍可被視為一個(gè)點(diǎn)，而粒子則視為一種連續(xù)介質(zhì)。3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征，9。在第一章中，在氣體動(dòng)力學(xué)中，通常認(rèn)為連續(xù)性假設(shè)僅在/S0.01(其中S是氣體分子的平均自由行程，S是流動(dòng)系統(tǒng)的特征尺寸)時(shí)使用。在兩相流中，由于粒子的弱布朗運(yùn)動(dòng)，可以考慮L/S0.01，其中L是粒子質(zhì)心之間的距離。例如，當(dāng)煤粉通過(guò)管道輸送時(shí)，已知顆粒之間的距離為10-3m，因此嘗試尋

9、找偽流體假設(shè)成立的最小管道直徑。解決方案：以管徑作為流體系統(tǒng)的特征尺寸，擬流體假設(shè)的最小管徑為：D=1/0.01=10-3/0.01=0.1m，3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征，10。第一章，固體顆粒的尺寸、形狀和分布是顆粒相的重要物理特征參數(shù)，顆粒的形狀和尺寸與顆粒的形成密切相關(guān)：破碎形成的顆?；颈３志w形狀；玻璃顆粒顆粒尺寸的統(tǒng)計(jì)分布：顆粒數(shù)分布密度根據(jù)顆粒尺寸，顆粒質(zhì)量分布密度根據(jù)顆粒尺寸，顆粒相尺寸呈正態(tài)分布，顆粒相的平均尺寸表示為線(xiàn)性平均顆粒尺寸，表面積，體積表面積，平均顆粒尺寸，質(zhì)量平均顆粒尺寸，3.2普通多相流的分類(lèi)和特性，11，(3)液固兩相流，其中液體和固體顆粒在一些普通流中混

10、合，稱(chēng)為液固兩相流。自然界和工業(yè)中的典型例子包括河流和海水?dāng)y帶的沉積物，水力輸送廣泛用于電力、化學(xué)工業(yè)、采礦、建筑和其他工業(yè)項(xiàng)目，以及泥漿流如紙漿、紙漿、泥漿和粘液。火電廠(chǎng)鍋爐水力排渣管道中水渣混合物的流動(dòng)和污水處理排放管道的流動(dòng)也屬于液固兩相流的范疇。(4)液-液兩相流兩種不混溶的液體混合在一起的流動(dòng)稱(chēng)為液-液兩相流。油田開(kāi)發(fā)和地面運(yùn)輸中的油水兩相流、分離和污水處理、化學(xué)工業(yè)中的乳狀液流、物質(zhì)凈化和提取中的大量液-液混合流都是液-液兩相流的工程實(shí)例。(5)氣-液-液、氣-液-固和液-液-固多相流氣體、液體和固體顆?；旌显谝黄鸬牧鲃?dòng)稱(chēng)為氣-液-固三相流；氣體和兩種不混溶的液體混合物的共同流動(dòng)稱(chēng)

11、為氣-液-液三相流動(dòng)。兩種不混溶的液體和固體顆?；旌显谝黄鸬墓餐鲃?dòng)稱(chēng)為液-液-固三相流動(dòng)。原油水、氣和砂粒三相以上的混合物在油田的油井和井口中流動(dòng)，在石油加氫反應(yīng)器、化學(xué)合成反應(yīng)器和生化反應(yīng)器中的漿態(tài)床和懸浮床中存在多相流，如氣-液-固流、液-固流、氣-液-液流等。3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征，12.3。兩相流力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史，兩相流現(xiàn)象在自然界和生產(chǎn)實(shí)踐中無(wú)處不在。兩相流力學(xué)在20世紀(jì)60年代開(kāi)始迅速發(fā)展，并在8090年代逐漸形成一個(gè)新的分支。然而，很久以前在生產(chǎn)和生活中就遇到了與兩相流有關(guān)的問(wèn)題，并提出了各種解決方案，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。自18世紀(jì)中葉瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)以來(lái)，由于缺乏對(duì)氣液兩相流動(dòng)

12、和傳熱的認(rèn)識(shí)，發(fā)生了許多工業(yè)事故，如早期一些蒸汽船和蒸汽機(jī)車(chē)的鍋爐爆炸，促使人們研究鍋爐中水的循環(huán)和傳熱。1877年，博姆西內(nèi)系統(tǒng)地研究了明渠水流中泥沙的沉積和輸運(yùn)。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，一些論文討論了船用鍋爐水循環(huán)和傳熱的特點(diǎn)，也有一些論文討論了氣液兩相流體流動(dòng)的脈動(dòng)。1910年，馬洛克研究了聲波在泡沫液體中傳播的強(qiáng)度衰減。1920-1940年間，發(fā)表了關(guān)于鍋爐水循環(huán)中氣液兩相流不穩(wěn)定性和氣液兩相流的經(jīng)典研究論文。然而，許多經(jīng)驗(yàn)和研究成果分散在各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)，很少交流。20世紀(jì)40年代以后，我們有意識(shí)地總結(jié)了遇到的各種現(xiàn)象和規(guī)律，并從兩相流的統(tǒng)一觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，對(duì)它們進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究?！皟上嗔?/p>

13、”一詞自1949年以來(lái)就出現(xiàn)在文獻(xiàn)中。3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征。20世紀(jì)30年代和50年代以后，隨著電力工業(yè)中高溫、高壓和高參數(shù)的引入以及航空航天工業(yè)和商用核電廠(chǎng)的發(fā)展，大量關(guān)于氣液兩相流和傳熱的研究論文開(kāi)始出現(xiàn)，關(guān)于兩相流邊界層、聲波在兩相混合介質(zhì)中的傳播、空化理論、流化技術(shù)和噴嘴流動(dòng)的研究論文也顯著增加。從1948年到1949年，IAckhart和Martinelli先后提出了計(jì)算氣液兩相流摩擦阻力的Lockhart-Martinelli參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)方法。1954年，貝克提出了第一個(gè)氣液兩相流流型圖。1956年，英格博研究了pa的阻力系數(shù)之間的差異自20世紀(jì)60年代以來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者從

14、不同角度探索描述兩相流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本方程。早期作品包括大理石(1963)、默里(1965)、潘頓(1968)等。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，有關(guān)兩相流、傳熱和測(cè)量的專(zhuān)著相繼問(wèn)世，如童(1965)、伊(1965)、蘇(1967)和伯格斯(1969)。沃利斯(1969年)、休伊特(1970年)、科利爾(1972年)、石井(1975年)、徐(1976年)、派(1977年)、巴特沃斯(1977年)、拉希(1977年)、休伊特(1978年)、魯丁格(1980年)、韋齊洛格魯(1980年)、貝格爾斯(1981年)、阿扎貝爾(1981年)、赫茨羅尼(1982年)、齊索姆(1983年)等。inter-I多相流也成

15、立于1974年，第一本多相系統(tǒng)手冊(cè)于1982年出版。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)先后出版了等(1981)、陳等(1985、1989、1991、1993、1995、1999)和林宗虎(1987、1988、1999)、方定西(1988)、周強(qiáng)泰(1990)、等(1991)、呂燕珊(1992)、劉3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征，14.4兩相流的研究方法和理論模型。從理論上講，流體力學(xué)的基本方程可以應(yīng)用于多相流。然而，在多相流中，應(yīng)列出各相的守恒方程，并考慮兩相之間的相互作用。因此，描述多相流的方程比描述單相流的方程復(fù)雜得多。多相流的分析和研究要比單相流復(fù)雜和困難得多。目前，多相流的分析方法大多是單相流分

16、析方法的延伸。研究多相流有兩種觀(guān)點(diǎn)：將流體視為連續(xù)介質(zhì)和顆粒(一般稱(chēng)為氣泡、固體顆粒等)。)作為離散系統(tǒng)，并討論粒子動(dòng)力學(xué)、粒子軌跡等。除了作為連續(xù)介質(zhì)的流體之外，粒子群被認(rèn)為是偽連續(xù)介質(zhì)或偽流體，并且假設(shè)它在空間中具有連續(xù)的速度和溫度分布以及等效的輸運(yùn)性質(zhì)(粘度、擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)等)。)。應(yīng)用理論模型：?jiǎn)瘟黧w模型、雙流體模型、分散粒子群軌跡模型等。研究多相流的方法：經(jīng)驗(yàn)關(guān)系分析法現(xiàn)象學(xué)方法，3.2常見(jiàn)多相流的分類(lèi)和特征，15。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表達(dá)式：將工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果、半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)結(jié)果組織成經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表達(dá)式或圖表。實(shí)施步驟：收集測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；建立系統(tǒng)變量的任意或半任意相關(guān)方程；使用任何常數(shù)或函數(shù)，使方程符合實(shí)際數(shù)據(jù)；根據(jù)得到的方程預(yù)測(cè)其他情況。工程設(shè)計(jì)中常用方法的優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)單、快速，可能相當(dāng)準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：它是有限的，只能在指定的范圍內(nèi)使用，但不能外推。只有當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象和獲得關(guān)系表達(dá)式的條件相同時(shí)，才能獲得好的結(jié)果；經(jīng)驗(yàn)關(guān)系法不能揭示問(wèn)題的物理本質(zhì)，也不能得到改進(jìn)設(shè)計(jì)的方向。隨著多相流體力學(xué)的發(fā)展，這種方法將被淘汰。例如，在氣液兩相沸騰傳熱中的一些