第九章 管内气液两相流基础_1

第九章气液两相流基础FundamentalsofTwo-phaseFlow§9-1气液两相流概述气液两相流动是流体力学的一个分支，研究气体与液体两相介质在共同流动条件下的流动规律。常见物态：气态、液态、固态气相、液相、固相物态：在一定条件下，物质存在的一种状态，有时也叫相。判断：下列体系中，那些是单相的？那些是两相的1.水和水蒸气；4.有沙粒的小溪；2.盐水溶液；5.油水混合物；3.氢气和氮气；6.水和冰。相：通常指某一系统中具有相同成分且物理和化学性质完全均匀的部分，各相之间有明显的界面。辨别单相体系和两相体系系统内部各部分的性质是否均匀；是否有明显的相间界面。两相流：任意两个相组合在一起，且具有相间界面的流动体系。Multi-phaseflowsarenotonlypartofournaturalenvironmentsuchasrainyorsnowywinds,tornadoes,typhoons,airandwaterpollution,volcanicactivitiesetc.,butalsoareworkingprocessesinavarietyofconventionalandnuclearpowerplants,combustionengines,propulsionsystems,flowsinsidethehumanbody,oilandgasproductionandtransport,chemicalindustry,biologicalindustry,processtechnologyinthemetallurgicalindustryorinfoodproductionetc.两相流分类：（1）按化学成份单组分两相流：水－水蒸气，钠－钠蒸汽，冰水混合物双组分两相流：空气－水，油－水，烟－气（2）按流道是否存在热交换绝热两相流——无相变，无相间质量交换加热两相流——有相变，有相间质量交换（3）按两相物质所处相态气液两相流气固两相流液固两相流液液两相流§9-2气（液）相介质含量•定义气相（液）介质含量表示两相流中气（液）相所占的份额。•几种表示方法–质量含气率x（Quality)单位时间内流过通道某一截面的两相流体总质量中气相所占的比例份额。GGGLWWx式中，WG,WL分别表示气相和液相的质量流量，kg/s1LLGLWWx质量含液率§9-2气（液）相介质含量（续）–热力学含气率x（quality干度）又称热平衡含气率，它是由热平衡方程定义的含气率。在有热量输入的两相流系统中，可以根据输入的热量得到气相的含量。（1）热力学平衡（thermodynamicequilibrium）：系统内既无压力梯度和温度梯度，且系统内所有共存相内也无化学势梯度时的状态。满足力学平衡、热平衡和化学平衡。（2）热平衡方程siirxsiixr饱和液体焓；流道某截面上两相流体的焓siir汽化潜热（3）讨论：–体积含气率§9-2气（液）相介质含量（续）指单位时间内流过某一截面的两相体积中气相所占的比例份额。GGGLqqqqq式中，qG,qL分别表示气相和液相的质量流量，m3/s1LLGLqqqqq体积含液率（）11GGLxxx–截面含气率(Voidfraction)§9-2气（液）相介质含量（续）两相流某一截面上气相所占截面积与总流道截面积之比,又称空泡份额。AGALGGGLAAAAA持液率(LiquidHoldup)LLLLGLVAAHVAAAFractionofthepipefilledwithliquid无滑移持液率(NoslipHoldup)LLGLqqqqqTheassumptionisnoslipbetweenphases;i.e.,phasestravelwithsamevelocity.讨论：（1）和的区别是体积流量比，表示单位时间流过流道的气相体积份额。（2），和x的关系111()GGGLGGLL•9.3.1几种表达形式1.质量流量和质量流速总质量流量W：单位时间内流过任何一截面的气液混合物的总质量，kg/s§9-3两相流的流量和流速GL总质量流速G：又称质量流密度，指单位界面流过的质量流量，kg/m2s(1)LGLGWGAGGGWWxGxGAA§9-3两相流的流量和流速（续）2.体积流量、相速度和折算速度•总体积流量q–单位时间内，流过通道任一流通截面的气液混合物的总的体积，m3/s•液相体积流量•气相体积流量LGLGLGWWqqqLLLWqGGGWqm3/sm3/s§9-3两相流的流量和流速（续）•液相真实平均速度，m/s•气相真实平均速度，m/s•液相折算速度又称液相表观速度（Superficialvelocity)，它表示两相介质中液相单独流过同一通道截面时的速度,m/s。(1)(1)LLLLLLLLLLqWWGvAAAGGGGGGGGGGqWWGvAAA(1)(1)1LLLSLLLLqqqvvAAA§9-3两相流的流量和流速（续）LGMSLSGqqqvvvAAA•气相折算速度又称气相表观速度（Superficialvelocity)，它表示两相介质中气相单独流过同一通道截面时的速度，m/s。GGGSGGGGqqqvvAAA•两相混合物速度§9-3两相流的流量和流速（续）•滑差和滑速比–滑差：气液两相实际速度的差，m/s–滑速比：气相实际速度与液相实际速度的比•讨论：–当气液两相流不存在相对运动时GLvvvGLvSv1,LGLGMsvvvvv1.NoSlipFlowvL=vgHL=LINPUTvgvLLHLIN-SITUvgvL2.SlipFlowvLvgHLLvg=vL+vovLINPUTvgLHLIN-SITUvL§9-3两相流的流量和流速（续）–当气液两相存在相对运动，且–当气液两相存在相对运动，且•飘移速度和漂移通量–飘移速度（Driftvelocity,vD）各相真实速度与两相混合物平均速度的差值。–气相飘移速度–液相飘移速度1,LMGsvvv1,LMGsvvvDGGMvvvDLLMvvv–漂移通量(Driftflux,m/s)•各相相对于以两相混合物平均速度vM运动的截面所流过的体积通量。–气相漂移通量–液相漂移通量()()(1)()GGGMGMLGMSGMAJvvvvHvvAvv§9-3两相流的流量和流速（续）()(1)()()(1)LLLMLMLGMSLMMSGAJvvvvHvvAvvvvGLJJ§9-4两相介质密度及比容•两相介质密度表示方法–两相介质的流动密度单位时间内流过流道某一截面两相介质质量和体积之比。–两相介质的真实密度单位体积内两相介质的质量，反映了存在于流道中的两相介质的实际密度。n(1)GLGGLLnGLM(1)(1)(1)GLMGLLGLLMALALVALHH–和的关系•当•当•两相介质的比容nMM1,,,ns所以均匀流动Ms1nLG时，-=(-)(-)LM1,,,Gns则LM1,,,Gns则§9-4两相介质密度及比容（续）•单相流体流动–层流–紊流•两相流动–流型是指气相和液相在管内流动时的几何形态。–相界面是两相区别于单相的主要特征。–两相流中相界面的形状和分布状况构成了不同的两相流流型。§9-5两相流流型定义及分类FlowPatternsinHorizontalandNearHorizontalPipesVerticalPipeFlowPatternsUpwardVerticalThroughaConcentricAnnulusWG,WL:gasorliquidmassvelocity(lb/h)viscosityincp,surfacetensionindyn/cm,densityinlb/ft3,areainft2.GLxWWBAWBGy1GL463.03/23/11147LLBakerMap–HorizontalFlowFlowregimemapsGoodforapproximatepredictionofflowcharacteristics.Bakerplot(1954)Flowregimemaps•anddependonthefluidpropertyonly.•BXdependsontheratioofflows(Knownbeforehand.Notadesignparameter)•BYdependsonthevapor/gassuperficialvelocity.Thisistheonlyparameterthedesignercanchange(throughA)•Transitionboundariesarenotatallthatsharp.TrajectoriesOnTheBakerPlot.Howregimeschangethroughapipe.Asthepressuredrops,thedensityofthevaporbecomeslower.1)~BX~BXdecreases2)1/~BY~BYincreasesThustrajectoriesarealwaysupandtotheleft2/1G2/1G2/1G2/1GMandhaneMap–HorizontalFlowFlowregimemapsMandhanePlot(Mandhaneetal.,1974)ClaimedthattheBakercorrelationoverestimatestheeffectoffluidproperties.Claimedthataplotwithsuperficialvelocitiesratherthansuperficialmassvelocitiesisbetter.Suggestedaslightcorrectionforfluidpropertiesbyusingacorrectedsuperficialgasvelocity:GGVyxfV),('225.02.0018.04.720013.0GLGx2.025.04.72LLyTaitel-Barnea-DuklerMap–VerticalHewittandRoberts(1969)Map–VerticalFlowTaitelandDukler(1976)Map–HorizontalFlowShortcomingsoftheTaitel-Duklerflowregimemodels•Poorpredictionofstratifiedflowforinclinedpipes.•Stratifiedflowmodelusedforflowregimepredictioncontradictspressuredropandliquidholdupdata.•Poorpredictionofhighpressuresandlowsurfacetensionfluids.•Nearverticalflowregimebetterpredictedthannearhorizontal.•Viscosityeffectnotproperlydescribed.•Outof10,000gasliquidflowpatternobser