第二章(第一次课)--两相流动流型

第一课两相流流型分类尚智上海交通大学核工系一、绝热通道两相流流型的决定因素和研究方法由于气液两相界面的变化，会在两相流中形成相界面分布的不同的结构形式或几何图形，即流型。决定流型的最主要的因素是表面张力和重力。一般来说流型气液两相流动的研究方法可以分为目测法和仪器测量法。垂直管道内流动的流型实验观察与测量表明，在垂直向上的两相流动条件下经常出现这样五类流型：泡状流、弹状流、搅拌流、环状流、液束环状流。泡状流泡状流：液相是连续相，气相则为分散相，且气相以大小不同、形状各异的气泡形式弥散于连续液相中，并随液相一起运动。弹状流弹状流：在弹状流型下，大块弹状气泡与含有弥散小汽泡的液块相间地出现。在弹状气泡的外围，液相又常以降落膜状态向下流动。尽管如此，气液两相总流量仍向上流动。此种流型下含气率大于泡状流。当泡状流中的气相流量增大到一定值时可能发生气泡聚合，甚至会聚合成接近流道特征尺寸（如管径）大小的大块弹状气泡，这时便发生由泡状流相弹状流的过渡。搅拌流（搅乳流）搅拌流：在弹状流动下，随着含气率或气相流量进一步增加，气泡发生破裂，在较大的流道里常会出现液相以不定型的形状作上下振荡，呈搅拌状态。在小尺寸流道中则不一定发生这类搅拌流动，而可能会发生弹状流向环状流的直接平稳过渡。环状流环状流：当含气率更大时，气相汇合成为气芯在流道芯部流动，而液相则沿流道壁面成为一个流动的液环，呈膜状流动，故名之环状流。实际上，呈现纯环状流型的参数范围很窄，通常是呈环状弥散流状态，即通常总有一些液体被夹带，以小液滴形式处于气芯中。液束环状流液束环状流：当液体流量增加时，气液交界面呈波状。环状流的气芯中的液滴浓度增加，最终这些小液滴聚合成束状液块。这种流型只有在高质量流速的流动中才会发生。水平管道内流动的流型在水平流动情况下，由于重力影响导致较显著的相分布不均匀性，其流型组合要比垂直流动时略为复杂。当含气率从低到高，流速由小到大时，目前较为公认的流型依次为：泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流以及环状流泡状流泡状流：低含气率和低速的水平两相流动常常会呈现泡状流型。在泡状流动中，气相以离散的气泡分布于连续的液相之中，由于重力的作用，气泡趋于靠近流道的上部流动。随着流速增大，气泡呈泡沫装均匀弥散于整个流道。塞状流塞状流：如果含气率较高而流速又较低时，很多小气泡就聚集成大气泡，如栓塞状，分布在连续的液相中。此时，大气泡也是趋向于沿管道上半部流动，大气泡之间也还存在有一些小气泡。分层流分层流：如果含气率进一步增加而流速仍比较低时，气泡将增大而连成一片，形成分层流。此时气相与液相均为连续相，气相在上部，液相在下部。两相间被一层光滑的界面隔开。波状流波状流：在分层流中，气相速度继续增大，由于界面处两相之间的摩擦力（气、液相存在着速度差）影响，会在界面上掀起扰动的波浪，分界面因为受到沿流动方向运动的波浪作用而变得波动不止，从而形成波状流型。弹状流弹状流：当气相流速增加到大于波速时，在气液分界面处的波浪被激起而与流道上部壁面接触，并呈现以高速沿流道向前推进的弹状块而形成类似冲击波的轻型，这就形成弹状流型。它与塞状流的差别在于气弹上部没有水膜，只是在气弹前后被涌起的波浪使上部管壁周期性地受到湿润。环状流环状流：如果继续增大气相速度，液体将会被挤向周围的管壁面，而形成环绕管周的一层液膜沿管壁流动。而气相则在管子中心流动，称为气芯。这样的流型称为环状流。通常总有一些液体以小液滴形式被气芯夹带。由于重力作用，流道下部的液膜较上部为厚。水平管道内部的气液流动的高速摄影图像加热流道中两相流动的流型由于有热量的加入以及发生汽液相变，加热流道内的两相流型变化远较绝热流道内的流动复杂。在一定的入口条件下，流型演变与热流密度有关。垂直加热流动的流型若加热流道受均匀热流密度加热，热流密度不太高，以入口为单相液体，出口是单相蒸汽的加热管道的向上流动这一典型情况为例，会依次发生泡状流、弹状流、环状流与雾状流。单相流区域入口单相液体被加热到饱和温度时，壁面形成一热边界层，从而建立了径向温度分布，由壁面向流道中心温度递减。在流道入口稍上部位，壁温将超过液体的饱和温度（壁温超出液体饱和温度的部分称为壁面过热度）。液体蒸发出蒸汽以后当壁面过热度达到成核所需的过热度时，就开始产生汽泡，而后脱离壁面进入主流形成泡状流。随着流动推进，汽泡总数不断增大，合并形成大汽快，往后便依次进入弹状流、环状流。在环状流型时，在此附近的壁面汽化核心将停止形成汽泡，以后的汽泡是在液膜与汽芯分界面上由蒸发产生的。随着热量不断加入，含汽率持续增加，汽芯内蒸汽汽量与流速不断增加，使得环形液膜界面呈波状，液相以液滴形式被不断卷入汽芯。壁面液体蒸发完以后流动继续推进，则液膜因受汽芯夹带和本身受热蒸发而变薄，直至完全消失，这一现象称为干涸。此时流道流动呈连续汽芯中弥散着大量小液滴的弥散流型。最后液滴全部蒸发，流动进入单相蒸汽流动。实际工况下的加热通道流型流道A的热流密度恰好使入口欠热水在出口处达到饱和状态。其余流道的热流密度值依次增大。从图可以看出，随着加热热流密度增大，流道内依次出现的流型种类增多。自泡状流逐步向弹状流、环状流、弥散流演变。图示xx连线表示泡核沸腾起始点。yy线表示泡核沸腾抑止进入典型环状流区。zz线是临界热流密度连线，该处壁面液膜蒸干，流动进入弥散流（或称滴状流、雾状流）。由此可见，随着热量加入而使得流道内含汽率沿流道长度方向递增，几种流型会在同一加热流道同时依次出现。水平管道内加热流动的流型水平受热流道在承受低热负荷均匀加热时的典型流型变迁。其流型变化过程与垂直受热流动流型大致相同。由于受重力作用，导致气相分布的不对称，出现了层状流动。相分布的不对称与流体受热还导致波状层状流区，流道顶部会发生间断性再湿润与干涸。在环状流区，顶部会出现逐渐扩大的干涸区。1单相液体；2泡状流；3塞状流；4弹状流；5波状流；6环状流其它几何条件及一些特殊工况下的流型反应堆失水事故再淹没阶段中的流型反应堆失水事故的再淹没阶段，堆芯燃料元件包壳处于炽热状态，应急冷却剂进入堆芯流道后，将历经复杂的传热特性变化与流型演变。这些变化随冷却剂进入堆芯的流向、流速以及堆芯流道表面温度的高低不同而不同。实验观察表明，通常加热面呈干壁区和完全润湿区两部分。两区之间为骤冷过渡区，处于过渡沸腾状态，与完全润湿区的接壤点为干涸点或偏离泡核沸腾点，与干壁区的分界为骤冷前沿。顶部再淹没冷却剂自炽热流道顶部垂直向下流动的过程称为顶部再淹没。在顶部再淹没中，随流速的不同而有不同的流型演变发生，a溅射b阻液1：水；2；电加热件；3：炽热表面；4：流动液膜前沿；5：水蒸汽底部再淹没冷却剂自炽热流道底部垂直向上流动的冷却过程称为底部再淹没。a低淹没速度b高淹没速度1：骤冷区；2：干涸；3：骤冷前沿；4：泡核沸腾；5：强迫对流沸腾；6：溅射；7：弥散流；8：偏离泡核沸腾；9：反环状流；10：膜状弹状流本次课结束！