第3章-流型

Chapter3.流型(Flowpatterns/Flowregimes)西安交通大学能源与动力工程学院王树众教授2内容概要流型的基本知识流型的分类流型和流型图流型研究中存在的问题1236气液两相流流型转变界限气液两相流流型的影响因素453§3.1流型的基本知识1．定义：气液两相流中，不同的流量、压力、管路布置状况和管道几何形状都会造成相界面的形状（分布）的不同，即形成不同的流动结构模式，对此称为流型（流态，流谱）2．流型研究的目的和意义：不同流型具有不同的压力、流量特征，也具有不同的传热特性，不考虑流型变化的阻力和传热特性计算是粗糙和不可靠的。可以说流型是两相流研究的基础。50年代Baker等就证明了流动特性计算和流型间的这种依变关系。43．应用流型研究的方法过去的方法：（1）进行大量的试验（2）画出流型图（3）根据流动条件在流型图上确定流型现在的方法：（1）根据试验和理论分析，探讨流型产生、发展的过程，建立流型转变机理的数学物理模型；（2）根据流型转变的机理来判断流型；（3）然后，根据具体流型的特征来建立相应的数学物理模型，进行流动特性和传热特性的计算。5流型的分类经历了一个由粗到细，又由细到粗的过程。并不是越细越好，应以满足工程实际应用和两相流计算的需要为目的，摒弃那些似是而非，没有显著特征的流型分类，将其归并到其它流型中去。流动形态多种多样，界限也不是十分清晰。在处理两相流体力学问题时，可以人为地分为几种流动形态，并且认为，在每一种流动形态范围内，其流体力学特性是基本相同的。§3.2流型的分类§3.2.1分类6流型的划分目前有以下两类：第一划分方法：根据两相介质分布的外形划分，括号内的流型只出现在水平和微倾斜管中，泡状流(BubbleFlow)；柱塞流(Plugflow）；段塞流(Slugflow)；块状流(Churnflow)环状流（Annularflow）雾状流(Mistflow)(分层流—Stratifiedflow)(波状流—Wavystratifiedflow)；78第二类划分方法：按照流动的数学模型分类：分散流动或弥散流（dispersedflow）分离流(separatedflow)间歇流(intermittentflow)910§3.2.2流型的识别方法方法很多，如观察法（高速摄影）、射线衰减法、电容法、压降脉动分析法、电导法等，每种方法各有其特点，但还没有一完善的方法。这主要是由于相界面形态的多样性以及流动本身的复杂性而造成的。目前常用两种或几种方法组合，以便取长补短。但目前对流型的识别仍不成熟，流型间的转变不是一个突变过程也是原因之一。在转变区域存在一些具有其相邻两种流型特征的中间流型，要确定一个界限值不容易。目前的各种方法中，人的主观因素影响很大。11流型是气液两相流研究的基础。研究流型首先要完成流型的识别，没有准确的流型识别方法就谈不上依据流型计算的准确性。最初，人们对流型的识别仅仅是通过目测观察法来进行，后来又借助高速摄影来判别，但由于两相流的复杂性，这种带有主观性的观察无疑会带来较大的误差（可能因人而不同），于是又相继出现了流型识别的其他手段。12流型识别技术根据使用方法的特点，大致可归纳为以下几种：（1）观察法和高速摄影技术这种方法最简单和直接，因此，在可能的条件下，人们也往往采用。但是直接目测观察要求管壁是可透视的或设有观察孔，而且流动速度不能太快，否则将无法准确判断。高速摄影技术的应用弥补了目测观察法的不足，能够捕捉住高速流动过程中某一瞬间的流动图像，曾被Cooperetal.，Arnold&Hewitt等所应用和发展。但是，相界面的复杂性，光线在相界面上的多重反射和折射，会妨碍从外面对流动的观察，很难透视管中的真正流动。如液膜中带有气泡的环状流，用高速摄影会误判为泡状流，这时可采用轴向观察法。⑴观察法和高速摄影技术13（2）流动参数的波动量统计分析法：•这是一种通过对某一流动参数的波动量的统计分析来确定流型的方法。•通常采用的有对压力（压降）、电导率、截面含气率或液膜厚度等参数的脉动量分析法。⑵流动参数的波动量统计分析法14•用管路局部压力（压降）波动法测定流型就是利用管线上某一测点的压力（或某一测量段的压差）随时间变化的规律来确定流型的方法。这种方法使用方便而且效果较好，曾被广泛应用。–连续测量管路某点的压力，分析压力信号的功率或频谱密度，可区别管路内流型。Hubbard-Dukler和Simpson等人已用这种方法区别出分离流、弥散流和间歇流三种流型。该方法的不足：对压力波动信号的分析不如图像输出清晰，比如在较高质量流速和低含气率时，与流型相对应的信号并不是很清晰，辨别起来就很困难；另外一个问题就是存在从试验段出口的压力反射波的虚假信号影响。因此，在这方面仍须改进。15用电导率（用电导探针测量）、截面含气率以及液膜厚度等的脉动特性来识别流型，其基本原理是一样的，就是根据两相流体流过管道时，在不同的流动状态下，截面含气率、液膜厚度、电导率的变化特性来确定流型。用电导探针来识别流型的方法最初是由Solomen和Griffith提出，后来又经Barneaetal.改进，具体方法可见相关文献。用截面含气率、液膜厚度等识别流型的方法见文献[25，26]，在此不一一赘述。16功率谱密度是一种概率统计方法，是对随机变量均方值的量度。一般用于随机振动分析，连续瞬态响应只能通过概率分布函数进行描述，即出现某水平响应所对应的概率。频谱分析（也称频率分析），是对动态信号在频率域内进行分析，分析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值以频率为变量的频谱函数F(ω)。17181920212223目前常用的有借助于射线照相术及多束测光密度术的两种流型识别方法。1)X射线照相术曾被Benettetal.;Hewitt&Robert;Mayinger&Zetmann等应用在流型识别中，它是借助于X射线仪向测试管段发出很短的射线脉冲。由于两相相分布的不同，因而穿过管道后X射线荧光检测仪接受到的X射线也就不同，以此来识别流型。⑶应用辐射吸收特性的空间分布规律来识别流型的方法24•x射线照相法:用x射线的吸收特征确定含气率–流体对x射线的吸收率随流体瞬时密度的增加而增大，即：随含气率的增加而减小。用x射线吸收特征测定含气率时，监测器输出信号代表管内流体的含气率，在一段时间内连续测量含气率可得含气率的概率分布，依此判断流型。Hewitt认为，这是一种较有前途的测量流型方法。–这种方法可避免可见光与气液界面一系列复杂的反射和折射，并可透过金属管壁观察流体流动情况。–不足是：需减少管壁对x射线的吸收率，提高照相的分辨率，另一重要问题是解决放射性的处理问题。25•2)多束测光密度法是利用多束射线穿过两相流管路时，接收到的光线密度的变化来确定流型。可用X射线、ϒ射线。射线源的强度越高，时间响应越好（如Cs137源）用射线吸收规律来识别流型时，应注意辐射对人体的伤害；另外,由于存在着管壁因素等影响，因而对于高压下的厚壁管道就不太适应（因为管道吸收太多的光子能量）。26–x和γ射线穿过物质时，射线强度发生衰减。设有一束射线的初始强度为I0（每平方米每秒的光子数），准直射来的吸收可用指数吸收定律来描述：–射线穿过两层管壁和两相混合物后，再进入探测器。使用这种方法时，先测出管内全部为气体和液体时，所接受到的射线强度IG和IL，然后测量管内气液混合物的射线强度I，含气率可按下式求得：多束射线密度计27•上述方法测得的含气率仅是射线透过管截面某一弦长上的含气率。•为取得截面平均含气率，可采用多束射线或与管道直径一样宽的宽辐线和准直仪。•图为Lassaha获取管内流型资料的三束γ射线密度计系统。28•这种测量方法存在的问题是：–存在与辐射操作有关的安全问题；–光子的产生带有随机性质，故辐射测量存在基本的统计误差。需要较长的测量时间使标准偏差减小；–气泡的方向性对测量精度有一定影响。29⑷流型测量方法的选择12634530管路内气液流速很低，用目测法就可判别流型时，采用目测法和透明试验管段。在有透明测试段的地方，有时可采用高速闪光和电影摄像机判别流型。但管内存在复杂气液界面时，由于界面产生的光的反射和折射会妨碍对流型的观察，看到的可能是贴近管壁的那部分流体结构，看不到管中心部分，这种方法所得资料数量极大，整理困难并带有人为因素。这时可采用下述方法。不适合采用射线照相和射线密度计的场合，可采用压力波动测定的分析法。管壁对x射线吸收量不多的场合，可采用x射线照相法。但该法只适用于定点照相，不适合跟踪照相。对稳定两相流，可采用x射线吸收法测定含气率波动的统计数据。对瞬态或过渡流型可采用多束x射线或γ射线密度计。31§3.3流型和流型图流型图（FlowPatternMap）:在两相流条件下，反映流型发生区域的图。为了更直观地反映两相流的流型变化情况，最早的流型图的概念由Kosterin(1949)提出，随后Baker(1954)建立了第一张实用流型图，并在石油工业和冷凝工程设计中得到了广泛应用。为了在流型图上纳入更多、更全面的流型影响因素，许多研究者相继建立了不同坐标系的流型图，但目前被最广泛采用的还是以两相折算流速为坐标的Mandhaneetal.(1974)流型图，但如Lin＆Hanratty(1987)指出的那样，在Mandhane流型图中，没有计算管路几何尺寸和流体物性的影响。但是，由于实际上流型的影响因素很多，要想完全考虑进去是不大可能的。必须寻找更合适的方法来确定流型。32流型图是建立在实验研究的基础上的，因此其应用也受到实验数据源的限制。随着气液两相流研究的不断深入，流型图也在不断完善，以下仅就各种简单的和复杂管道中的气液两相流流型以及流型图进行简要地说明。各文献定义了多种多样的流型，这一方面是由于流型变化的复杂性；另一方面是由于不同作者对同一流型的命名不同。33目前研究最多，因此相对来说最成熟，但主要是以低黏度工质为基础的，最初的研究因为在流型的识别上仅仅采用观察法，因而不免存在着较多的混淆。目前对上升流的流型通常分为以下四种，即泡状流，段塞流，块状流及环状流四种。以上四种流型还可以进一步细分，比如对环状流，根据气核中是否携带有液滴或液条，又可分为环雾流和带纤维的环状流等。流型间的转变并不是突然发生的。因而在这一转变过程中也可能观察到许多具有两个基本流型部分特征的中间流型。但流型的划分并不是越细越好，而应以满足工程计算和理论研究的需求为目的。§3.3.1垂直上升流动3435泡状流：当气液两相流速较低时，不规则形状的气泡分散在连续的液相中，并由于浮力的作用，以比液相快的速度向上运动；段塞流：随着气速的增大，大部分小气泡合并成弹状的、直径接近管子内径的Taylor气泡，在Taylor气泡之间是含有小气泡的液弹段（LiquidSlug）。根据Taylor气泡的形状，又有人将其称为“弹状流”。块状流：再增大气速，原来呈弹状的大气泡发生变形，其周围含有气泡的液膜上下波动，同时，液段也时常被剧烈扰动的气团破碎成液块。其总体特征是大小不一的气团在含有气泡的液流中混乱地向上运动。环状流：进一步增加气速，大气泡首尾相接，在管子中心形成夹带液滴的气流，管壁上的液膜连续地向上运动。⑴垂直上升管内的流型36⑵垂直上升管中的流型图•Govier-Aziz流型图：1972年发表37•Weisman流型图：发表于1979和1981年383940分类：分层流、泡状流、段塞流、环状流。•特点：由于重力影响，两相分布更不均匀，气相偏向于管顶部聚集。§3.3.2水平管中的流型41•在水平或微倾斜管中，由于重力的影响，两相分布呈现出不对称状态，即气相偏于向管顶部聚集，液相偏于在管底部分布。通常水平管中的流型可分为以下四种：•（1）分层流在这种流动中，当两相流速较低时，气相和液相分开流动，两相之间存在一平滑的分界；而当在流量较高时，两相分界面上由于Kelvin-Helmhoz现象出现界面波。因此，根据相界面的形态可将其进一步划分为光