01-两相流概述和基础

气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院气液两相流和沸腾传热庞力平教授能源动力与机械工程学院华北电力大学气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院主要内容•两相流概述•气液两相流流型和流型图•气液两相流数学模型•气液两相流压降•截面含气率（空泡份额）•气液两相流的分离与混合•两相流不稳定性•水动力特性和脉动•沸腾换热•气液两相流测量技术气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论气液两相流与沸腾传热气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－如何学习这门课程？•两相流是一门以实验为主的学科，理论体系不够完善；涉及学科多，学习难度大。（热学和统计物理、传热学、流体力学、气泡动力学、测量学等等）•学习上，应该侧重于对物理现象和本质的了解，尽可能多了解各种计算方法和模型。（均相流模型、分相流模型和两流体模型）•另外就是要适时跟踪国际上两相流和沸腾传热的研究动态，不断更新自己的知识体系。气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－什么是两相流与沸腾？•两相流：两相物体的流动称为两相流。在两相流中，两相之间不仅存在分界面，而且这一分界面是随着流动在不断变化的。因此，两相流可定义为存在变动分界面的两种独立物质组成的物体的流动。注意：异质物体或系统中，各存在分界面的独立物质称之为相。因此，由任意两种存在分界面的独立物质组成的物体或系统都称之为两相物体或两相系统。例如，水和冰的混合物为一种两相物体，因为水和冰都是存在分界面的独立物质。但是，盐水溶液是一种单相物体，因为在此溶液中盐和水之间无分界面，盐和水不是两种独立存在的物质。气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院两相流的特点和研究方法•1.含有不相混合的相2.相间相对速度不同会引起流动性质和流动结果的很大变化3.各相的物理性质及相间的表面现象都是影响流动的重要因素4.相间有热力学和水力学的不平衡，不平衡性表现为相间的温度和速度差异，这种差异是导致相间相互作用的原因，这种差异随着时间的变化有逐渐减弱的趋势，这种现象叫做松弛5.对于气液两相流，界面还有热量、动量和质量的传递，而且界面经常变化6.两相流多为湍流，层流相对比较少见7.严格求解几乎不可能。•研究方法：1.经验关系式法2分析方法3唯象方法（透彻了解物理现象，建立模型。是半经验和半理论方法，均相流模型，分相流模型和漂移流模型等）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－什么是两相流与沸腾？•沸腾：沸腾是通过液气相变将工质由液态转换到汽态的一种剧烈汽化过程，也是伴随大量气泡的形成、成长和运动的热量传递过程。沸腾传热和气液两相流是由本质上十分复杂的沸腾和两相流动两种物理现象耦合在一起的一种热流体流动过程．在两相界面上存在着热量的传递，并且有相变发生。气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（1）•两相流和沸腾传热有着非常广泛的应用。在核能、火箭、航天、材料等技术领域和能源、动力、石油、化工、冶金、制冷、食品、造纸等工业中得到广泛应用。气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（2）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（3）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（4）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（4）~loth/CUP/Ch1figs.pdf气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（5）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（6）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（6）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（6）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（7）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（8）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（8）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（8）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（9）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（10）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（11）燃气-蒸汽联合循环电站（效率45-52%）气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（12）-化工Typicalhorizontalthermosyphonreboiler气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的应用（13）•6在水利、水力和管道输送当中的应用1．水土流失：水土流失比较严重的国家。河水含沙量相当高。研究重点：土壤物理化学性质与降水量和水流量的关系；入渗水流、土壤性质和土壤力学的关系，如泥石流；泥沙启动和启动流速的关系；泥沙夹带和沉积规律的研究。2管道输送：气力输送、水力输送和密封容器输送。美国1957年建立了第一条长距离输煤管道。长174公里，管径254毫米。•7大气工程沙尘暴：风沙物理（气固两相流等）风沙工程；沙暴形成、迁移规律；气容胶的形成、扩散气候效应。气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的研究历史（1）•1930前：基本没有相关研究和发展，从而导致了轮船，锅炉和蒸汽锅炉的爆炸。•1930－1940：自然循环锅炉的容量小、热负荷低，并不需要非常严密的水循环计算。重大成果是Jakob和Fritz对核态池沸腾缺陷的阐明；1934年Nukiyama实验测定沸腾曲线；1938Ledinegg发表了一些两相流不稳定性的文章•1940－1950：锅炉容量增大，热负荷增加，为了保证烧毁安全性，需要正确了解两相流动特性，提高水循环计算精确性，因而广泛开展流型、空泡份额和两相流动阻力的实验和理论研究，深入进行了池内核态沸腾和膜态沸腾特性研究。两相流研究主要面对化工的需要。Martinelli1948年发表关于压力降低问题。•1950－1960：核动力反应堆和直流锅炉问世，蒸发管的加热热流密度剧增，烧毁危险性增大，简单的均相模型不能满足计算要求，需深入研究流型因、空泡份额和压降计算方法。同时．需要研究整个含气率范围，特别是高含气率的两相流动传热理论以及临界热流密度，开始了沸腾传热和气液两相流动的迅速发展时期。Rohsenow、Nishikawa研究了核沸腾；Zenkevich流动沸腾烧蚀；Baker流型图。气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院绪论－两相流与沸腾传热的研究历史（1）•1960－1970：空间技术发展，商用核动力堆投入运行，亚临界和超临界蒸气动力机组的开发等成为推进研究的动力。为了有效地利用燃料和运行安全，必须深入进行临界热流密度的实验和理论研究。两相流向多个方向发展，形成了一个学科。•70年代以来：在计算机技术和商用核电厂安全研究推动下，世界各国普遍升展事故暂态过程的系统实验和理论研究，核反应堆事故情况下热工水力问题成为研究的热点。在常规蒸发设备方面，以有效利用能源为目标，研究各种不同能量转换系统的优化设计和计算模型，发展传热强化技术。同时开始了两相数学解析模型的研究。•我国于70年代末和80年代韧．开始了有计划的沸腾传热和气液两相流研究。气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院课程的主要内容•两相流的概念和应用；基本参数•两相流流型和判定方法•两相流的基本方程•两相流的压降和计算方法•两相流的空泡份额•两相流的临界流动现象•两相流的流动不稳定性•气泡热力学和气泡动力学基础•大容积沸腾和传热•强制流动沸腾传热•沸腾中的临界热负荷•凝结传热介绍•两相流测量注：课程进行当中，介绍一些两相流方面的最新进展。气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院两相流动基本概念•相态气相、液相、固相和等离子体•多相流动几个相同处于一个系统内流动•单组分和双组分两相流动不涉及相变，双组分和单组分数学模型相同气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院两相流及其定义•两相流定义气体和液体；气体和固体颗粒；液体和固体颗粒•气液两相流研究与工程关系气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院管内气液两相流的基本参数•截面含气率α•质量流量W（kg/s)•质量含气率xGA/Aα=GL=+GGLxW/(WW)=+气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院管内气液两相流的基本参数•质量流速G（kg/s.m2)•体积流量Q（m3/s)GGW/AWGAx==GLGGGLLLQQQQW/QW/=+=ρ=ρ气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院管内气液两相流的基本参数•体积含气率β•气相真实流速uGGGGLGLQ/QQ/(QQ)x/[x(1x)/]β==+=+−ρρGGGGGGGGGuQ/AuW/(A)uGx/(()==ρ=ρα气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院管内气液两相流的基本参数•气相折算速度JG•滑动比S•滑动速度uSGGGGGJQ/AJuGx/==α=ρGLSu/u=SGLGLuuuJ/J/(1)=−=α−−α气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院管内气液两相流的基本参数•气液两相流平均密度ρm分流平均密度混合平均密度•气液两相流平均速度um分流平均速度混合平均速度mGL(1)ρ=ρα+ρ−αmGLW/Q(1)ρ==ρβ+ρ−βmGLuuu(1)=α+−αmGLuQ/AG/[x/(1x)/]==ρ+−ρ气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院基本分析方法•经验关系式法工程设计常用方法•简单模型分析法均相模型、分相模型•积分分析法积分形式流动方程•微分分析法微分方程组求解/质量、动量和能量守恒、边界和定解条件•普适现象分析法普遍物理现象分析方法气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院两相流简单计算气液两相流与沸腾换热庞力平华北电力大学能源动力与机械工程学院管内气液两相流的基本方程式•质量守恒方程•动量守恒方程•能量守恒方程GLGL==−GGGGGLGGGGGGGLPA(pdP)AdFSAdZgsindu(WdW)(udu)WudW(u)2−+−−−ρθ=++−−+22GGLLW(qw)Wdid[Wu/2Wu/2WgsindZ]δ−δ=+++θ