气液两相流体力学

1气液两相流体力学相的定义有多种形式，从其物质的集态可以给出，也可以从其物理化学性质角度出发给出。后者定义的相系指物质物理、化学性质相同物质组成单一状态体。按照这种定义方法，带粒流中不同粒径的颗粒是不同的相，因此常说的两相流和多相流并没有质的差别，只是从不同角度观察同一个问题而已。通常见到的两相流主要是：气液两相流、气固两相流、液固两相流。对于某些场合的气液两相流又被称为气溶胶。9.1气液两相流的特征参数9.1.1流量1.混合物的体积流量流过流体通道的气相介质的体积流量qvg与液相介质体积流量qvl之和。vvgvlggllqqqvAvA2气液两相流体力学2.混合物的质量流量流过流体通道的气相介质的质量流量qmg与液相介质质量流量qml之和。3.混合物的质量流率单位通道截面积流过的气液两相介质的质量流量为混合物的质量流率。9.1.2介质含量1.质量含气率气相介质的质量在两相介质总质量中所占比例，用k表示。其取值在0~1之间，1-k为含液率。mmgmlgvglvlggglllqqqqqvAvAmgmlggglllmqqvAvAqGAAAmgmgmmgmlqqkqqq32.容积含气率气相介质的容积在两相介质总容积中所占比例，用表示。其取值在0~1之间，1-为容积含液率。可以得到k与间的关系：3.截面含气率气相介质所占的截面积与整个管道截面积之比为截面含气率，又称为空隙率。其取值在0~1之间，1-为截面含液率。vgvgvvgvlqqqqq1g1(1(1))lk11(1(1))glkgAA气液两相流体力学49.1.3速度1.气相折算速度、液相折算速度气相介质、液相介质各自独立流过管道的平均速度。显然混合物速度也为假想速度。2.混合物速度气液两相混合物流过通道的平均速度为混合物速度。0vgvggggqqvvAA0(1)(1)vlvllllqqvvAA折算速度为假想速度。利用该定义可以方便两相流中的计算，混合物的质量流率为：00(1)glggllggllGGGvvvv00(1)vgvlglglqqvvvvvA气液两相流体力学5气液两相流体力学3.相速度差和相速度比气相速度与液相速度之差称为相速度差。气相速度与液相速度之比称为相速度比。当两相速度相等时：即截面含气率等于容积含气率。glglvvv()1()1gmgggllmlllgvqpAkvvqpAk或：1111(1(1))(1(1))glvvk(1)lglgkk6气液两相流体力学4.循环速度单位通道截面积流过的两相介质质量流量与液相密度之比vc。它与混合物速度之间的关系为：5.漂移速度某相介质的运动速度与混合物速度之差为漂移速度（滑移速度）。气相滑移速度：液相滑移速度：9.1.4浓度、密度1.气相浓度、液相浓度单位体积混合物所含气相的质量为气相浓度。00mgmlgcglllqqvvvA0(1)gcglvvveggvvvellvvv7气液两相流体力学单位体积混合物所含液相的质量为液相浓度。2.混合物流动密度流过通道某截面的质量流量和体积流量之比称为混合物流动密度。'gggMV'(1)lllMV00(1)gvglvlmglglVVqqqqq其中0gvgmgggVVqqqq0(1)lvlmlllVVqqqq分别为气相折算密度、液相折算密度。由比容关系可得：11glkk8气液两相流体力学3.混合物真实密度在截面积为A长为l的微管段中两相流的质量与微管段的体积之比。(1)(1)gltglAlAlAl当两相介质速度相等时，两相介质的真实密度等于流动密度。9.1.5压强、温度、状态方程1.压强忽略液体表面张力，则有：glppp气相分压和液体分压可近似按容积份额计算：gpp(1)lpp2.温度两相流中气相和液相温度存在差异，两相流温度可按浓度计算：9气液两相流体力学''''11()()ggllggllTTTTT3.状态方程气相为完全气体时，状态方程为：'gggggggpRTRTp即：gggpRT对于液体，一般可以认为其仅与温度有关()lllT对于热平衡状态下的气液两相混合物，气体为完全气体，液体为不可压缩，则有：111()glkk气体与液体的质量比为：1mgmlqkqqk10气液两相流体力学将上两式变形：111()mgmlqq带入状态方程，可以得到用混合物参数表示的状态方程：111()mmglqpqRT9.1.6比热、比焓、比热容、比熵上述这些物理量都可以认为混合物的物理量为各相质量份额的加权平均，即：内能(1)(1)glvggvllukukukcTkcT比焓(1)(1)glpggpllhkhkhkcTkcT比热容(1)ppgplckckc(1)vvgvlckckc比熵(1)glsksks11气液两相流体力学9.2气液两相流在管内的流型流型是两相流在流动中相分布的特点，它对流动特性和规律有着重要影响。9.2.1不加热竖直管道中的流型对于上升的两相流，随着气体流量的增加，流型形式为：1.泡状流气体以小气泡形式分散在液相中，管道中部气泡较多。分散相为气相，连续相为液相。2.弹状流（塞状流）小气泡聚集为大气泡，形状类似子弹形式分散在液相中，气泡集中在管道中部。流动是间歇的和不稳定的。3.块状流子弹形状的气泡失稳、破裂，形成形状大小和形状不同的块状气泡，形状和运动轨迹不稳定，气液间掺混较大。12气液两相流体力学4.环状流（液丝环状流）气相在管道中部形成气柱，气柱中含有大量液滴，气柱与管道之间存在液膜。5.雾状流管壁上液膜消失，液相全部以液滴形式分散在气相中。此时连续相为气相，分散相为液相。对于下降流动，还可以出现纯环状流，气相与液相间分界面清晰且相对稳定。9.2.2不加热水平管道中的流型由于重力影响，液相较多地分布在管道下方，可能出现的流型为：1.泡状流与竖直管道中类似，但气泡多趋向集中在管道上部。2.弹状流与竖直管道中类似，弹状气泡在管道上部。13气液两相流体力学3.分层流气相在管道上部相连，液相在管道下部流动，它们之间出现分层，界面比较平坦。4.波状流气液分层面由于扰动的增加，开始出现波浪。5.块状流波状流中的波浪与管道顶端接触，并将气相分割为大气泡。但管道上部壁面不存在连续液膜。6.环状流管道中部形成气相通道，但上部液相环较薄。7.雾状流管壁上的液膜被吹散，液滴分散在气相中。9.2.3加热管中的流型与不加热管中类似，但由于液相的蒸发，上述所述流型连续出现。气液两相流体力学9.3气液两相流一维定常流动的基本方程流型是两相流在流动中相分布的特点，它对流动特性和规律有着重要影响。9.3.1均相一维定常流基本方程1.连续方程对于一维流动，显然有：或2.动量方程对于一维流动，其动量方程为：vAconst1110ddvdAdxvdxAdxsinwdpdvgGdxdxA气液两相流体力学其中G为两相流的质量流率，w为壁面平均切向应力，为平均湿周长度。3.能量方程对于一维流动，能量方程为：其中为单位时间单位长度传入控制体的热量。9.3.1均相一维定常流基本方程1.气液分界面耦合条件1）流动速度对于实际流体，分界面上速度相等。2）切向应力根据牛顿第三定律，作用在气相和液相上的切应力相等。21()sin()2mdpdvdugqdxdxdxqqgjljjvvv气液两相流体力学3）质量、能量、热量交换对于质量交换，存在下列表达式：液体蒸发时液相和气相在法向速度分别为：根据上面的推导显然有：4）分界面两侧压强对于气液分界面为曲面，则压强差为：gjljgjljglvvyymgmldqdq1mggjgqvx1mlljlqvxggjlljvv2pR气液两相流体力学对于存在蒸发的两相流，气液两相法向速度存在差异，根据动量守恒，此时存在一个附加压降：1()mljgjljqpvvx实际工程中上面两式的值很小，一般直接采用压强连续条件。1.连续方程气相：液相：()0ggmgdvAdqdxdx((1))0llmldvAdqdxdx2.动量方程气相：液相：singjmgggmgmglgqdvvdqdqvdpgdxAAdxAdxAdx(1)(1)sinljwmlllqdvdpgdxAAAdx气液两相流体力学3.能量方程气相：液相：22()sin(())()22ggmglggggglgjjjgdpvAvdqvdgAvuvAuvqdxdxdx22((1))(1)sin(()(1))()22lllmlllllllljjjldpvAvvdqdgAvuvAuvqdxdxdx