气液两相流

气液两相流主讲：谷海峰学院：核科学与技术学院Email：[e-mail]2010.03课程简介学时：40学时学分：2.5性质：专业基础课反应堆热工水力、核动力设备流体力学传热学工程热力学两相流动与传热考核方式：闭卷答题+平时成绩平时成绩出勤率作业知识问答参考教材：《两相流与沸腾传热》，徐济鋆编，原子能出版社。《两相流与传热》D.巴特沃思等编，陈学俊，陈听宽，曹柏林译，原子能出版社。《两相流与沸腾传热》，鲁钟琪编，清华大学出版社。课程目录第一章两相流基本参数及其计算方法（4学时）第二章两相流的流型和流型图（6学时）第三章两相流的基本方程（4学时）第四章截面含气率的计算（8学时）第五章直管的两相流压降计算（10学时）第六章两相流局部压降计算（2学时）第七章两相临界流动（4学时）第八章两相流流动不稳定性（2学时）1.1基本概念1.2气相介质含量1.3两相流的流量和流速1.4两相介质密度及比容第一章两相流基本参数及其计算方法1.1基本概念1.物态：在某一条件下，物质存在的一种状态。常见的物态是气态、液态和固态。有时物态也称之为相，常见的物质三态也称为：气相、液相、固相。判断：下列体系哪些是单相的？哪些是两相的？1、水和水蒸汽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1.1基本概念2.相：通常指某一系统中具有相同成份且物理、化学性质完全均匀部分，各相之间有明显的界面。3.辨别单相体系与两相体系是否系统内各部分的性质均匀是否存在明显的相间界面4.两相流：任意两个相组合在一起、且具有相间界面的流动体系。1.1.1两相流的分类（1）按化学成份分为单组分两相流：同一种化学成分的物质的两种相态混合在一起的流动，如水-水蒸汽、钠-钠蒸汽及冰水混合物等。双组分两相流：不同化学成分的两种物质处于同一个系统内的流动，如空气-水，油-水，烟-气等。（2）按流道是否存在热交换可分为绝热两相流—无相变，无相间质量交换。如汽水分离。加热两相流—有相变，有相间质量交换。如沸腾，冷凝。1.1.1两相流的分类（3）按两相物质所处的物态可分为气液两相流：水和水蒸汽，水和空气气固两相流：风沙，烟气液固两相流：血液流动液液两相流：两种不相溶的液体，油水混合物1.2.1定义气相介质含量表示两相流中气相所占的份额。1.2.2几种表示方式1.质量含气率x单位时间内，流过通道某一截面的两相流体总质量M中气相所占的比例份额。式中，、分别表示气相和液相的质量流量，kg/s。那么，质量含液率(湿度)可以表示为1.2气相介质含量MMxMMMMM1MMxMMM又称为热平衡含汽率，它是由热平衡方程定义的含汽率。在有热量输入的两相流系统中，可以根据输入的热量得到汽相的含量。（1）热力学平衡（thermodynamicequilibrium)系统内即无压力梯度和温度梯度，且该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）热平衡方程式中，i是流道某截面上两相流体的焓值，那么riixs'2.热力学含汽率x（干度）rxiis汽化潜热饱和水焓（3）讨论当，两相流动处于欠饱和态，过冷（欠热）沸腾或单相；当，两相流动处于饱和沸腾，这时热平衡含汽率等于质量含汽率；当，过热蒸汽，单相汽体。ssttxii,0,sssttxiii,10,ssttxii,1,指单位时间内流过某一截面的两相总容积中，气相所占的比例份额。式中，，分别表示气相和液相介质的容积流量，m3/s。那么，容积含液率（1-β）由定义，可以推出质量含气率x与β的关系3.容积含气率βxxx1VVVVV1VVVVVVV4.截面含气率α又称为空泡份额。指两相流某一截面上，气相所占截面与总流道截面之比。式中，，分别表示气相和液相所占的流道截面积，m2。同理，截面含液率（1-α)1AAAAAAAAA是容积流量比，表示流过通道的气相容积份额；是体积比，表示存在于通道中的气相容积份额。的区别和)1(的关系和x,)2(111MMMxxWWxxAAAa111（1-12）（1-13）显然，对于单组分的两相流，在两相流动系统中，两相之间会因物性不同(如密度)存在不同程度的滑动。引入滑速比S的概念，则两相之间滑动的大小可以表示为WSW,1,WWS,1,WWS,crPP,1,WWS1.3两相流的流量和流速1.3.1几种表达式形式1.质量流量和质量流速总质量流量M：单位时间内流过任一横截面的气液混合物的总质量,kg/s.总质量流速G：又称为质量流密度，指流道单位截面通过的质量流量,kg/m2.s.每一相的质量流速与总质量流速的关系MMM(1)MMGGGxGxGAAMGA2.容积流量、相速度和折算速度总容积流量：单位时间内，流过通道任一流通截面的气液混合物的总的容积，m3/s。液相容积流量，m3/s：气相容积流量,m3/s：MMVVVMVMVMVMV液相真实平均速度，m/s：气相真实平均速度,m/s：VMGWAA1VMGWAA2.容积流量、相速度和折算速度MWAMWA液相：气相：折算速度：又称容积流密度，又称为表观质量流速（superficialflowflux）,定义为单位流道截面上的两相流容积流量，m/s。它也表示两相流的平均速度。式中，Jg为气相折算速度，表示两相介质中气相单独流过同一通道时的速度,m/s.Jf为液相折算速度，表示两相介质中液相单独流过同一通道时的速度,m/s.gfVVVJJJAAAgVVJWAA1fJWgJW11fVVJWAA讨论当气液两相无相对运动时当气液两相存在相对运动，且，则当气液两相存在相对运动，且，则WJ,1WWWJWWWWJWgmWWJ11fmfgAJWJWJJJJJAfmWWJgmgAJWJJJA3.漂移速度和漂移通量漂移速度：各相真实速度与两相混合平均速度J的差值。气相漂移速度：液相漂移速度：漂移通量：各相相对于两相混合平均速度J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：gmfmJJ循环速度：与两相混合物总质量流量M相等的液相介质流过同一截面的通道时的速度。循环倍率：单位时间内，流过通道某一截面的两相介质总质量与其中气相质量之比，也就是质量含气率的倒数。4.循环速度和循环倍率ogfMWJJA(1)fgogJJJWJgojWxMMK1自然循环锅炉原理对于沸腾通道，循环速度在数值上等于上升管入口处水的速度。循环倍率是指循环水流量与蒸汽产量的比值。表示上升管中实际产生一公斤蒸汽需要的循环水流量几公斤对于自然循环蒸汽发生器，循环流速是指上升空间通道入口处饱合水的流速。循环倍率是指循环水流量与蒸汽产量的比值。立式自然循环蒸汽发生器对于蒸汽发生器而言，其循环倍率是表征其二次侧流动状态的重要参数，它对于传热管的腐蚀、流动稳定、传热特性及分离器工作等都有重要影响。一般认为在设计状态时应大于4—4.5，其主要考虑的因素如下：1.传热要求：为了保证管壁润湿，特别是防止局部区域出现缺液或干涸。一般要求管束进出口处的蒸汽含量不超过20%—25%，相当于循环倍率大于4。2.流动稳定性：循环倍率低可能导致流动的不稳定，使流动产生振荡，这种流动振荡现象使传热效率下降，当流动振荡的幅度足够大时，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波动。3.管材腐蚀：在局部滞流或低流速区，往往导致污垢沉积或浓缩。从防止腐蚀与流动的要求出发，应适当提高循环流速，以便在管板上表面及管束弯管区提高冲刷流速。5.滑移速度和滑速比由于气体和液体的流速不同，在两相之间存在滑动速度(滑移速度）气体的速度与液体的速度之比称为滑速比SaaxxWWS11aSWW,1,aSWW,1,竖直上升流：竖直下降流：1.4两相介质密度及比容1.两相介质密度表示方法1）两相介质的流动密度单位时间内流过流道某一截面的两相介质质量和体积之比。2）两相介质的真实密度即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。1mMV1omo和的关系：ommo1).当S=1时,,所以，均质流动；1Smo2).当时，,moS1:,则,moS1:则单位时间内流过流道某一截面的两相介质体积和质量之比1)截面平均比容vA2)动量平均比容vM11mmVvxvxvM11AxvSxvvxxS2.两相介质的比容111MxvxvxSS0.522111ExvvxvxSS3）动能平均比容vEmEMAmo对比上面四种比容表达式,当S=1时，则有，。,,;,,;,;,;,,,,,;gfommxkjjjwGMMMVVV;,;;,,;,,,;oAMEgmfmgmfmwwswwjj，两相流特性参数的分类(1)流动参数：可根据物质平衡或热平衡关系计算得到的参数(2)真实流动特性参数：代表流体流动时真实流动特性的参数，这类参数与两相流体的相对运动有关，有本章小结1.何谓两相流？两相流的分类？2.有关含气率、速度、密度、比容定义及计算式。3.两相流特性参数的分类4.何谓热平衡？5.滑速比与各参数的关系作业：1-4WW01xdWS且不考虑两相间的相对滑移时WJWmo考虑两相间的相对滑移时WW01xdWS且WJWmomEMA第五章直管的两相流压降计算12PP序两相流流动压降计算的重要性两相流流动压降计算的局限性本章主要内容1.两相流摩擦压降的计算模型；2.影响两相流摩擦压降的主要因素；3.重位压降和加速压降的计算；4.环状流动的压降计算。两相摩擦压降单相摩擦压降折算因子计算模型均相流模型分相流模型方法、经验公式重点难点全液相摩擦压降梯度lofdzdP全气相摩擦压降梯度gofdzdP分液相摩擦压降梯度lfdzdP分气相摩擦压降梯度gfdzdP全气相折算系数2go分液相折算系数2l分气相折算系数2g两相摩擦压降梯度dzdPf分气相摩擦压降梯度dzdPfg液相部分摩擦压降梯度dzdPfl马蒂内里参数2X全液相折算系数2lo5.2均相流模型的摩擦压降计算一.均相流模型计算法DPh两相摩擦压力梯度对于圆管，控制体周界长度(m)：通流面积(m2)：流体与壁面的摩擦剪应力(N/m2)：APdzdphf042DA22jfmomfGDd