（工程热物理专业论文）气液两相流中音速及流动特性研究.pdf

摘要 本文利用热力学有关理论，推导出气液两相介质中音速的计算公式， 并在一定压力范围内进行计算获得了压力、干度、汽隙率、相变系数笛 对音速的影响规律。研究表明，弛豫现象的存在确实对音速有较大影响。 同时，通过分析还发现，y = 0 时的计算结果更接近于实际情况。 在上述研究的基础上，针对新型换热器中气液两相流体在渐缩流道 内的等熵及有凝结时的非等熵流动，分别采用均相流模型和分相流模型进 行了分析，得到气液两相流体沿流动方向的压力、干度、速度、马赫数等 参数分布，继而分析了流道结构尺寸以及流体初始参数对两相流动的作用 规律。结果表明，选择合适的流道倾角，初始半径及流体的进口参数，可 使两相流动达至q 音速，且临界时所需的流道截面积随这些参数的改变而改 变，其中初始半径和初始压力的影响较为显著。对比上述两种流动，还可 发现有凝结时两相流动更容易达到音速。 一一，此外，搭建了一个简单的实验台，通过初步实验获知，蒸汽和水的 进口压力、流量及背压对整个换热器的工作性能影响较大。并且，当进水 量一定对，存在一最佳的进汽量，使得气液两相的混合效果最好了一 ? 、扩h f y 关t 溯：气液两相流音速渐缩流道澎乙绚垆孑f ) 乙 a bs t r a c t a ne x p r e s s i o no ft h es o u n dv e l o c i t yi nv a p o r - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w i sd e r i v e d b ye m p l o y i n gt h e r m o d y n a m i cp r i n c i p l e s i nt h et h e s i s t h r o u g hc a l c u l a t i o n ，t h ee f f e c to fp r e s s u r e ，d r y n e s s ，v o i df r a c t i o n ， c o e 踊c i e n to ns o u n dv e l o c i t ya r eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e x i s t e n c eo fr e l a x a t i o np h e n o m e n o nh a sg r e a ti n f l u e n c eo ns o u n d v e l o c i t y ，a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wm u c ha g r e e m e n tw i t ht h e f a c tw h e nye q u a l sz e r o 0 nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h ，ad e t a i l e ds t u d yo nt h ei s e n t r o p i ca n d n o n i s e n t r o p i ct w o - p h s ef l o wa l o n g ac o n v e r g e n tc h a n n e li nt h en e w t y p eh e a te x c h a n g e ri s c a r r i e do u t t h er e s e a r c hi s p e r f o r m e db y e m p l o y i n gh o m o g e n e o u sm o d e la n dt w o f l u i df l o wm o d e l t h e n ，t h e d i s t r i b u t i o no fp r e s s u r e ，d r y n e s s ，v e l o c i t y ，m an u m b e ra n ds o m e o t h e rp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，a n dt h ee f f e c t so fc h a n n e ld i m e n s i o n s ， i n i t i a lp a r a m e t e r so nt h et w o p h a s ef l o wa r ea n a l y z e d ，t h er e s u l t s s h o wt h a tw h e nt h es i z eo ft h e c o n v e r g e n t c h a n n e la n df l o w p a r a m e t e r sa r ew e l lc h o s e n ，t h et w o p h a s ef l o wc a nb ea c c e l e r a t e dt o s u p e r s o n i cf l o w f u r t h e r m o r e ，t h ea r e ao fc r o s ss e c t i o nr e q u i r e db y c r i t i c a ls t a t ev a r i e sw i t ht h ec h a n g eo ft h e s ep a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l y i n i t i a lr a d i u sa n di n i t i a lp r e s s u r e b yc o m p a r i n gt h e s et w oc a s e s i t c a na l s ob ef o u n dt h a tt h et w o p h a s ef l o ww i t hc o n d e n s a t i o ni sm u c h e a s i e rt or e a c hc r i t i c a ls t a t e t na d d i t i o n ，as i m p l ee x p e r i m e n td e v i c ei ss e tu p t h r o u g hi n i t i a l e x p e r i m e n t ，i t i sf o u n dt h a tt h ef l o wr a t e ，p r e s s u r eo fv a p o ra n d l i q u i d ，a n db a c kp r e s s u r ea f f e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a te x c h a n g e r o ft h i st y p eg r e a t l y w h e nt h ef l o wr a t eo fw a t e ri sg i v e n ，t h e r ee x i s t s a no p t i m u m v a p o r f l o wr a t e ，w h i c hm a yr e s u l ti nab e t t e rm i x i n g k e y w o r d s ：v a p o r l i q u i dt w o p h a s ef l o w , s o u n dv e l o c i t y ， c o n v e r g e n tc h a n n e l 主要符号裹 截面面积，m 2 音速m s 定压比热，k j k g - k 汽相或液相的湿周，m 直径，m 重力加速度，m s 2 焓值，k j k g 干度线性变化的斜率 流道的长度，r n ：兰，马赫数 口 质量流量，k g s 流体压力，p 8 热流量，k j s m 2 半径，m 熵( 或滑动比) ，k j k g - k 上标： ” 饱和水 下标： o初始值 l液相 s饱和 w壁面 v 流体温度，o c 流体温度，o c 微元体周长，m 流体速度，m s 比容，i t l 3 k g 功量，w 干度( 气液质量分数) 轴向坐标，f f i 汽隙率( 截面含汽率) 相变系数 渐缩流道的倾角，。 导热系数，w m k 动力粘度，n s m 2 流体密度，k g m 3 剪切力，n m “ 饱和蒸汽 相界面 两相流体 汽相 所研究的截面 r t u u v w x z d y 0 凡 a a q c d g h k l m m p q r s 1 1 问题的提出 1绪论 能源、人口、粮食和环保称为当今世界的四人危机。其中，能源是影 响经济发展战略决策的重要问题。面临目益严峻的能源危机，人们不断寻 求着各种解决途径。除了开发可再生、低污染的新能源外，通过先进的科 学技术以节约能源及提高能源的有效利用率是我们当前必须采用的极其重 要的方法。 正是在这种迫切要求下，在一般的化工、轻工等系统中，人们将目光 更多地投向了在系统设备总投资中约占1 0 2 0 的换热器。各种强化传热 技术日益向广度和深度发展，并向新领域渗透。如处理表面、粗糙表面、 扩展表面等新型高效换热面雨后春笋般地涌现出来，对传热过程起到了 定的强化作用：而热管技术在工程中的推广应用，无益为强化传热技术的 发展注入了新的活力。与此同时，人们不再简单地考虑热现象，而是逐渐 关注力、热、电、磁，甚至声、光等各种物理现象相互作用所带来的影响。 经一些学者研究发现：机械扰动、热扰动、电磁扰动的引入，将会使换热 系数显著增加，如：在层流状态下，空气纵掠竖直平板，有热扰动源的传 热系数比无扰动源时将提高3 7 4 。由此可见，新颖的思路，独特的观点， 产生的巨大效应是难以预料的，更激发了人们开拓思路深入研究与强化 传热有关课题的兴趣。 在发电厂或者各种用途的热水供应系统中，常常可以见到如庞然大物 的热交换器和笨重的驱动泵，我们能否将其合二为一，以一种更为小巧的 设备来代替，既可强化传热又可达到增压的目的呢? 在这种崭新思路的启 迪下，变声速增压换热器应运而生。它主要运用两相流体中的音速远远低 于其中任何一种单相流体音速的原理，使得在适中的流体速度下，换热器 中的流体就能从亚声速变为超音速，并在流动过程中产生激波，导致压力 突变，在强化传热的同时提高流体压力。据了解，前苏联早已根据类似原 理制成节能装置应用在军方的核潜艇上，现在已广泛推广于一般工程应 用。在俄罗斯、美国的许多发电厂、钢铁厂、区域性热水供应系统中，目 前这种换热器已频频可见。虽近，在我国特别是北方地区逐渐推广开来， 如，青岛啤酒麦芽厂、哈尔滨亚麻厂等企业也引进了这套设备。多年的运 行和纪录表明，它不仅可节约能源1 5 4 溉，还可极大地简化系统设备， 缩小其结构尺寸，展现了这种新型换热器所具有的诸多优越性能，其应用 前景极其诱人。但该换热器虽已在国外研制成功，然而其技术仍处于保密 状态，且价格非常昂贵。因此，我们有必要探索它的机理，研制出自己的 “变声速增压换热器”，为我国的经济发展服务。 尽管根据已掌握的资料，我们对变声速增压换热器的基本原理有初步 的了解，但仍有许多细节问题有待进一步的探索和研究，如：两流体应该 以何种比例混合以及如何混合，才能使液体滴化，增大换热面积，达到强 化传热的效果，及增压所要求的混合比；两流体在流道中的流动是否能达 到音速，在何处达到音速，又在何处产生激波等等。但考虑到该换热器的 复杂性，及研究时间的限制，我们只能将其分为若干部分，仅对其中的关 键部分进行深入的分析和研究。 在变声速增压换热器中，两相流体能否在渐缩流道中达到超音速流动 是实现增压的关键之一。众所周知，单相流体沿渐缩喷管的流动，规律明 显，易于研究。而两相流体在流道中的流动远比单相流体复杂，不仅受流 道结构尺寸的影响，还与其自身的热力学性质有关。到目前为止，对两相 流动的理论分析和实验研究都显得很不够，尤其是对气液两相在管道内流 动的研究特别薄弱。因此，本课题的研究方向定位于对两相流体在渐缩流 道中的流动进行初步探讨，分析其各种参数的变化情况( 如：音速、压力、 速度、干度等) ，讨论能否通过选择适当的热力学参数或结构尺寸，使其 流动达到音速，为激波的产生提供可能性。此外还将进行一定程度的实验 研究。通过实验了解实际的运行情况，及各种参数、尺寸对换热器性能的 影响、。相信本课题的研究结果对于探索变声速增压换热器的本质，指导 其结构设计和运行参数的选取，将会有极大帮助。 变声速增压换热器可以说是瞬时加热器和增压喷射泵的一种结合物， 但它又有别于这两者。为了更好地说明该换热器的独特之处，我们有必要 先简单介绍喷射器的原理及研究应用现状。 喷射器是利用射流紊动扩散作用，来传递能量、质量的流体机械和混 合反应设备它由喷嘴、渐缩管、喉管、扩散管及吸入室等部件组成。它 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 工诂斑体 每 i 喷嘴 q 喉曹 2 暧入室j 渐缩管 j ，扩敞管 出口斑体 图1 1喷射器工作原理示意图 的工作原理如图卜1 所示：有压流体( 液体或气体) 通过喷嘴射出，在喷 嘴出口处由于射流边界层的紊动扩散作用，与周围被吸流体发生动量交 换，这两股流体在澌缩管及喉管内混合，进行能量和质量传递，于是工作 流体的速度减小，被吸流体的速度增大，两者的速度在喉管出口处渐趋一 致。流体的压力在喷嘴出口处到喉管入口断面是刚氐的，以后逐渐增高， 通过扩散管将混合流体的动能转换成压能，压力进一步升高，流体沿排出 口被输送到用户。 喷射器可根据工作流体和引射流体的相位不同分为三类：工作流体 和引射流体的相位相同的喷射器( 如气体喷射压缩器、引射器、喷射泵等) ； 工作流体和引射流体的相位不同，且在混合过程中也不改变相位的喷射器 ( 如气力输送喷射器、水一空气引射器、水力输送喷射器) ；其中一种流体 的相位在混合过程中发生改变的喷射器( 如汽一水引射器、喷射加热器等) 。 从以上分析可知，喷射器不用直接消耗机械能便能提高流体压力， 采用它比采用机械的增压设备( 如：压缩机、泵、鼓风机和引风机等) 简 单而可靠，又能充分回收余热蒸汽，因而在工业领域获得了广泛利用，尤 其在节能工程中更受到了极大的关注与重视。 喷射器技术的研究和应用已有1 0 0 多年的历史，这之前，两股流体的 混合现象，在1 6 世纪时已经发现，但直到1 9 世纪6 0 年代，德国学者g 佐伊纳才根据动量定理，建立了喷射器的理论基础，1 8 7 0 年，他和m 。 兰金进一步发展和完善了这个理论，但他们的理论还不能解决象选择适宜 的剖面形状，确定喷射器轴向尺寸等问题。本世纪3 0 年代，由于流体力 学及空气动力学的发展，才逐渐推动了喷射器的应用和研究工作。1 9 3 1 19 4 0 年期间，在苏联中央流体力学研究所k k + 巴乌林“埽口全苏热工研究 所e 1 只彼劳曼的领导下，根据实验研究结果整理出喷射器的计算方法， 并创造了一些足够完善的喷射器结构，在此基础上提出了确定喷射器轴向 尺寸方法，且推导出在变工况下喷射器工作的特性曲线方程式。 1 9 5 3 年，全苏热工研究所对混合式喷射加热器进行了实验研究。在 该实验中，水从喷嘴流出的速度分别为5 、1 0 、1 5 、2 0 和2 5 米秒，水流 量范围为3 3 0 吨小时。结果表明，工作喷嘴的形状对加热情况的影响不 大，同时，应选择适中的喉管与喷嘴的截面比，并最好将喷嘴安装在离喉 管3 4 倍喷嘴直径的地方，喉管长度取5 倍喉管直径最佳。就状态参数而 言，在其它条件一定下，适当增大工作水的的流量或降低工作水温度，都 会增强换热效果。尽管实验能为我们提供研究喷射加热器的数据资料，但 对其发生过程目前还只能从定性角度来论述和分析。对其热力特性和水力 特性作定量计算，以便核算它的结构尺寸和工作状态，目前还是不可能的。 1 9 5 5 1 9 5 6 年，德国r 科格劳 2 1 研究了射流泵的基本性能最优设计参 数，提出射流泵效率可以达到4 0 。1 9 5 6 年s t 波宁顿0 1 对水及水气射 流泵进行详细的试验后，提出射流泵各部件的合理尺寸，并指出采用多喷 嘴可缩短喉管长度。1 9 6 4 年，j h 威特咖提出利用1 9 孔的多喷嘴液气射 流泵，可使该泵的等温压缩效率超过4 0 。1 9 7 3 - 1 9 7 5 年，j 希劳及g b 吉尔贝特等人0 3 用二元流的方法对液体射流泵性能进行分析，并用有限差 分方法求得其数值解。 我国5 0 年代初开始从国外引进喷射器技术资料及样机，并在工程实 践中逐渐予以利用。特别是最近1 0 年来，喷射器技术已经广泛地应用到 国民经济各部门，并取得了不少研究成果。1 9 9 5 年，游向东0 3 编制出高 效节能型蒸汽喷射压缩器软件，能对蒸汽喷射压缩器的多种工况作详细的 计算：依据计算报告，可设计出某一特定用途下的喷射压缩器，还能分析 不同蒸汽压力下，出口压力及流量变化。 1 9 9 6 年，王剑锋等人叫分析了喷射吸收制冷循环中喷射器内汽一液两 相引射增压流动过程，指出在不同条件下，汽一液两相主要存在三种不同 阿流态：i 溶液越过喉管，直接引入扩散段，两相均为分离的连续相； i i 溶液返流进抽吸室，致使溶液未能卷吸气体便进入混合室：i i i 溶液 在抽吸室卷吸气体，携带气体进入混合段，汽一液两相在混合段内均匀混 合。其中，第三种为稳定流态，对此建立了物理模型，从而得到了该过程 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 两相稳定流型的判定准则。 1 9 9 7 年，廖定佳“3 认为液一液气射流泵内流动属泡沫流，并在假定流 体不可压缩，气体为等温流动的基础上，获得了液一液气射流泵基本性能 方程及各种修正系数。所作试验除证实了模型的正确性外，还发现两相液 气射流泵与液体单相射流泵相比，会较早出现极限工况。同年，龙新平o 分析了非定常隋况下脉冲射流泵的基本性能方程，发现其形式虽与定常情 况下相同，但动量修正系数和速度系数却有一定差异。若要利用脉冲射流 提高射流泵效率，尚需进行深入细致的研究。 关于喷射式混合加热器中，蒸汽压力和水的压力孰高孰低的问题，1 9 9 8 年，王汝武m 认为市场上销售的无声蒸汽加热器要求蒸汽压力大予水压才 能正常工作，而射水式混合加热器则不受蒸汽压力的限制，蒸汽压力大于 或小于液体压力都可以正常工作。1 9 9 9 年，姜丽薇嘲通过对j 删型喷射 式加热器的运行，发现此种加热器中蒸汽压力大于或小于被加热液体压力 均可正常工作而不受前者必须大于后者0 0 5 0 1 m p a 的限制。 钱申贤93 根据实验数据求得不同工况下的引射器综合阻力系数，计算 结果表明，混合管末端速度分布的均匀性对其阻力系数的大小起着重要作 用，因而若混合管的长度适当，则速度分布趋于均匀，阻力系数较小。 尽管喷射器技术与变声速增压换热器在原理上有一定差别，但其研究 成果对我们设计这种新型换热器却有极大的参考价值。 如图1 - 2 所示，来水通过喷嘴进入混合室，并在此与蒸汽充分混合， 形成具有一定含汽率的汽水混合物( 蒸汽和水的位置可互相交换) 。由于 在这种混合物中，音速大大斛氐，远远低于其中任何一种单相流体水或蒸 汽中的音速，所以，即使混合物的流速较低( 例如，只有几十米秒) ，也 能够在收缩段窄的截面内跨过音速，达到超音速流动。继而在以后的流道 中，使流动速度完成向亚音速的转变。此时，产生激波，压力剧烈地增大。 被加热的水增压后进入扩散管，随即可送入用户管道。 但是，到目前为止，我们对该换热器的机理仍存在许多疑问，如：两 流体应该以何种比例混合以及如何混合，才能使液体滴化，增大换热面积， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 达到强化传热的效果，及增压所要求的混合比；两流体在流道中的流动能 否达到音速，在何处达到音速，又在何处产生激波等等，这些都亟待进一 步的探索和研究。 l _ 二4 一r 一 - r 一u - 一 ， + ? i i l r jl ， 卜一卜= = = = _ 一f = = 。考 i 、 一7一一 i f 、一一一- _ 1 1 、r 一t 4 l 一_ | 1 一 _ ，l i l 一l 【，+ 。一。 一，。k 一一一、j 1 、喷管 3 、渐缩段 5 、扩散段 2 、蒸汽入口 4 、喉管 图1 2变声速增压换热器工作原理示意图 虽然，变声速增压换热器已由国外研制成功，然而其技术却一直处于 保密状态。因此，可供我们借鉴的资料甚少，且有些论述很模糊，甚至很 矛盾。据了解，俄罗斯科学寡费森柯教授 1 0 1 是目前此项技术的主要研究 者。他认为，在分析两相混合物的流动时，不应只考虑粘性的变化情况， 还应该讨论混合物压缩性的交化，因为两相混合物的压缩性远大于构成该 混合物的气体或液体分别具有的压缩性。因此，针对变声速增压换热器， 在考虑两相压缩性和激波影响的基础上，得到了计算汽液流量比以及增压 能力的公式。计算结果表明，当蒸汽流量一定时，若汽液两相的体积百分 比为2 3 时，则通入的水流量最大。但是，其公式的具体推导过程却不得 而知。 同时，他还认为，变声速增压换热器不同于一般的喷射器，两者的主 要区别为：i 在喷射器中，喉管的截面积大于喷嘴的出口面积，而在变 声速增压换热器中，喉管截面积可小于喷嘴的出口面积；i i 喷射器中， 流体出口压力介于工作流体和被引射流体之间，而后者的流体出口压力则 高于两种工作介质；i i i 一般情况下，阻力会随着流速的增大而增加，在 6 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 此换热器中，流体流动的阻力却与其速度无关。当m a 接近于1 时，阻力 会急剧下降，趋向于0 ；i v 变声速增压换热器的背压对激波前的参数( 如 流量等) 无影响，可使该装置运行在稳定的工况下。 在使液体滴化，增大其换热表面方面，费森柯教授的研究成果也极为 惊人。德国一实验室对乳酪进行滴化，利用显微照相机拍得其直径为2 - 3 微米：而费教授进行同样实验，所得的微粒直径仅为0 2 - 0 ，5 微米。对此， 他的解释是因为在滴化过程中考虑了声学原理和空化效应。但他对如何得 到这样小的微粒，并没未作迸一步的说明。在参考文献 2 中，作者对从 喷嘴中喷出的液体射流，与周围气体相互作用，最终破裂为液滴的原理稍 作了解释。他认为，从喷嘴喷出的液体射流不可避免地受到某种扰动，因 为即使喷嘴表面很光滑，但其粗糙率总是存在。此外，喷嘴的震动，i 重i 绕 射流的气体运动及喷嘴前工作液体的湍流特性。都是扰动源。由于扰动的 存在，液体射流在离喷嘴出口不远处，射流表面出现波状，即表面波。由 于气体流经波峰的速度比流经波谷的速度太，波峰与波谷之间产生压力 差，导致射流表面波的振幅不断增大。当振幅超过射流半径时，射流破裂 为液滴。此外，曾丹苓教授 1 0 建议将混合室设计成一个h e l m h o l t z 共振 器，当由混合室的结构尺寸所决定的固有频率与射流的自激振动频率相接 近时，就能极大地放大压力扰动，促使液体滴化。 高新技术的运用，使变声速增压换热器具备了其它换热或增压设备所 无法比拟的优势，这些优势体现在诸多方面。下而简要介绍其主要特点： i 具有增压效果 充分利用了汽水混合物的声速特性，使混合流体在较低的流速下即可 达到超音速，为其增压提供了强有力的理论依据。并且，超音速压力突变 的结果是，输出混合物的压力极大地超过驱动流体的输入压力，而不同于 喷射器中介于工作流体和引射流体之间的出口压力。 谴能强化传热 前已述及，在蒸汽与来水混合过程中，利用声学机理和腔体效应可使 水柱滴化，不仅大大增加汽、液接触面积，而且还使其混合均匀，从而增 强了两相间的换热能力。 i i i 占地面积少 庞大的热交换器和笨重的驱动泵，再加上辅助设备，常常会占据大量 的空间。而一台变声速增压换热器只有几十公斤，体积小，占地面积也随 之减少。如；俄罗斯圣彼德堡的基洛夫工业区，原计划采用1 0 台管壳式 换热器和1 5 台电力泵，占地面积达1 1 3 0 平方米，而如今采用此套新系统 仅需1 3 0 平方米，其用地面积的缩减幅度不言而喻。 i v 节省能源，保护环境 由于取代了热交换器和减少了驱动泵的数量及功率，因而可充分利用 余热蒸汽，在提高热交换效率的同时，也能显著减少能量损失，有时甚至 可节省电力5 0 - 8 0 。而且，节能必然会引起燃油消耗量的减少，起到了 环保的作用。 ，此外，该换热器还具有投资少，安装简单，操作方便等优点。可见， 能将它的这些优势付诸于实践，对缓解能源危机，提高资源利用率都有极 大意义。 独特的优势必然意味着广阔的应用范围和应用前景。目前，此换热器 主要用于以下方面： i 商用民用的供暖和热水供应系统：如发电厂的热水供应循环系统； 生活区、办公楼、宾馆、厂房的采暖和热水供应。 i i 工业用的热水供应系统：如皮革、印染、丝绸、纺织、食品及化 工等需要大量热水的行业生产。 i i i 给定计量、搅拌、均质、消毒杀菌：由于流量和热量较大，使各 成分都能均匀地混合，因而可以应用于许多行业。如：印染中的染色及食 品工业中的制奶业，等等。 广阔的应用前景，吸引了越来越多的人们加入到这种新型换热器的研 究行列中来。大家都期待着，能在这方面取得新的突破和进展，并迫切希 望能将研究成果推广于工程实际应用。 我们知道，所谓“音速”就是指无限小压力波在介质中的传播速度。 长期以来，人们对各种介质中的音速及其普遍规律进行了大量的研究，总 结出音速是介质的物理特性，并推导出了单相介质中音速的定义式； 重庆大学硕士学位论文l绪论 从上式看到，无限小压力波被认为在介质中作等熵传播，尽管对这一点。 还一直有人提出异议。但由于对单相介质的实验结果能与上式很好地吻 合，故此式长期以来已被人们普遍接受。 然而，对于两相介质中的音速，人们通过实验发现：在气液两相流动 中，两相混合物的音速要比分别在两种组元中的音速都小。例如，当混合 物的体积含气量为1 1 0 时，混合物中的音速大约只有空气中音速的l 9 ； 当其体积含气量q g q 0 = 1 时，音速仅为2 2 8 8m s ，远低于空气中的音速3 3 5 m s ，和水中的音速1 5 2 5m s 。那么，为什么会出现这种特殊的现象，以 及两相介质中的音速又该如何计算昵? 为此，人们进行了大量的研究，但 结果很不理想。迄今为止，还没有找到最精确的或公认的理论解释和计算 公式。这主要是由于两相介质中压力波的传播是一种极其复杂的过程，与 两相的相对速度及状态参数等有关，所以对其机理并不清楚，且实验数据 也较为分散，彼此差异很大，重复性不理想等等。正因为如此，广大研究 者们按照自己的理解，建立起了许多两相介质音速传播模型，并推导出相 应的两相音速计算式。 徐济望在其文献“”中对以速度为砩的压力脉冲在静止的气液两相混 合物中的传播过程进行了分析。在不计外力和壁面摩擦力假定下，根据一 维两相混合物的连续方程和动量方程，推导出两相介质中压力波传播速度 表达式但作者认为在管道每一横截面上都充满了气相和液相，故此方程 仅适用于描述泡状流、层状流、环状流和弥散流，而不适用于弹状流。在 此基础上，又对双组份和单组份混合物进行了简化和分析。其中，对于双 组份均相模型有两种假定：其一为均相等温模型，假定任一时刻两相间充 分传热，达到热力平衡，即t v = t = t 。，同时系统熵不变，且气体服从理想 气体关系式：另一种为均相绝热模型，假定两相之间界面传热不计，处于 热力不平衡，在系统总熵不变假定下，导致每一相熵也不变，于是便可对 每一相使用平衡关系式，即气相为绝热膨胀或压缩，而液相的温度保持不 变，系统熵为定值。在同样条件下，两种模型的计算值相比，压力脉冲的 绝热传播速度大于等温传播速度，其原因是后者包含了相间能量交换的影 响a 在单组份情况下，也有两种方法进行简化：一种是按照热力平衡计算， 另一种方法采用均相冻结模型( 即d x d p = o ) 。计算结果表明，低含气率 下，传质项处理不同，影响颇大。忽略传质效应( 即冻结假定) 之计算结 果，比热力平衡假定下的结果更好。 黄素逸在其所著的书籍“”对泡状流、层状流、弹状流和高速雾状流中 9 重庆大学硕士学位论文i 绪论 压力波传播速度进行了分析。从中可以明显看出，影响气液两相流音速的 一个重要因素是气液两相在流动空间的分布( 即流型) 。流型不同，即使 对统空泡率。值，压力波传播速度的差别也是很大的。对于泡状流而 言，其音速具有气、液两种流体的音速特性，即液体中含有少量气体时， 压力波传播速度急剧下降，并且随着q 增大而减小；当as o 5 时出现极 小值：若a 再增大，压力波传播速度又逐渐增大。在薄液膜的层状流中， 压力波传播速度等于气相压力波传播速度。而流型为弹状流时。当压力波 从液体段内向气体段传播时，压力波的波幅衰减很大；反之，从气体向液 体传播时，压力波几乎不衰减。最后，通过对高速雾状流的计算发现，不 考虑相间摩擦的音速值大于计及相间摩擦的音速值。 而h e n r y 等人1 考虑了动量传递效应，通过实验和计算也证明其与流 型有关，提出了泡态流等不同流型的计算方法，并指出在两相流动系统中， 系统对单个压力脉冲的响应和对小脉冲连续波动( 即声波) 的响应并不是 完全相同的因其响应时间与相交界面的传递率有关，随着两相间不同的 质量、能量、动量传递速率，将会形成不同的延迟时间和传播距离。 1 9 8 8 年，潘磊“53 在考虑传热、传质、粘性摩擦和流道倾斜放置的基 础上，假定两相介质均匀混合，处于热平衡态，且静止或滑动比为1 ，对 两相流动微分方程组的解进行几何拓扑分析，推导出了临界流速和两相介 质中的音速计算公式。但计算值与实验测出的汽水两相介质的音速相差太 大。通过分析认为，采用等熵传播式隐含着当微小压力波传过两相介质时， 会有充分的相变发生以使得传播过程始终保持在热力学平衡状态下进行： 而实际传播过程却是在非平衡状态下进行的，当压力波传过时几乎没有相 变发生。因此证明沿用单相介质公式计算两相介质中的音速是不合适的。 当然，上述模型均认为音速传播过程是可逆的，并未考虑各种不可逆 因素的影响，这必会使计算结果同实际情况有一定的偏差。1 9 8 9 年，曾 丹苓教授 1 6 利用非平衡热力学原理对两相介质中的音速进行了分析，其 中考虑了各种不可逆因素( 如流体粘性，温差传热及相变等) 的影响。研 究结果表明，这些不可逆因素将会引起波的传播和衰减；尤其是相变弛豫 现象的存在将削弱流体的可压缩性，例如，平衡相变与相冻结时相比较， 后者中的音速要高于前者中的。 这些计算模型各有所长，但都不能完全令人满意。有关两相介质中音 速的研究，如：当弛豫现象存在时，音速随压力、干度、气隙率等的变化 规律。还有待继续和完善。 l o 通过前面的介绍，我们可知，变声速增压换热器所涉及的并不只是单 相流体，而且还涉及到水和水蒸气的两相流动。为了帮助我们更好地分析 其在流道中的流动和传热情况。因此，有必要先简要介绍两相流的有关概 念和研究现状。 两相流这一术语在本世纪3 0 年代首先出现于美国的一些研究生论文 中，而直到1 9 4 3 年，在苏联才将此术语应用于正式出版的学术刊物上。 所谓“相”，即是物体所处的状态，是任一系统中具有相同成分、相同物 理、化学性质的均匀物质部分。相之间具有明显可分的界面，可以用物理 方法分离。常分为气相、液相和固相三种相状态。有时将等离子体作为物 质的第四种相态。 仅有两种相态同处于个体系内的流动便称为两相流动，它是多相流 动中一种最常见的流动组合。可以是一种物质的两个相态，也可以是两种 物质的两个相态。因此，可以分为单组分两相流动和双组分两相流动。单 组分两相流动是由同一种化学成分但不同的相态混合在一起的流动体系。 例如水及其蒸汽构成的汽水两相流动体系。双组分两相流动是指化学成分 不同的两种物质同处于一个体系内的两相流体流动，例如空气一水构成的 气水两相流动体系。从广义上来说，某些双组分流动( 主要指液体一液体 流动) 由彼此互不混合的一种相态构成也常被称为两相流动，例如油水 两相流动。 在自然界中，两相流动是一种最普遍的流动形态。沸腾液体的流动， 大气中云层的移动，固体颗粒的气力输送，气流中液滴的携带，人体血液 的循环流动等等，只不过是两相流动的几个常见例子。在工业实践中，在 蒸汽锅炉、核反应堆、蒸馏塔、蒸汽发生器、冷凝器、热管、沸腾床等设 备上，更将普遍遇到两相流动和热交换f 习题。因此，只研究单相介质的流 动越来越不能满足工程和各方面的需要，必须同时对两相流动及传热，特 别是对气液两相流动进行分析和探讨。 1 5 2 两相流动的特点 尽管气体和液体单独运动时的规律基本相同，但是它们两相共存时， 却呈现出诸多不同之处。由于相的存在以及相间相对分布状况不同，除介 质与流道壁面之间存在着作用力外，两相界面之间也存在着作用力，有可 能发生机械不平衡现象使动量方程复杂化。在连续流动情况下，从动量 定理出发，流体所受作用力处于平衡状态，整个两相流体仅与外界物体和 进出口界面发生力的相互作用。两相之间的作用力为内力，大小相等，方 向相反，对体系的动量方程没有贡献。但是。从能量平衡观点出发，除流 体与外界之间存在能量交换之外，两相界面之间也存在着能量交换，而且 这种交换必然伴随着机械能的损失，使能量方程复杂化。这是气液两相流 动有别于单相流动的流动特点。其次，相分布的多变性( 相密集、弥散、 分层等等) 影响两相间的力学关系，因而也会影响两相流动的传热特性。 对于加热沸腾、冷却凝结的两相流动，相变造成质量传递和含气率变化， 不仅沿流道的相分布( 形状和数量) 不断发生变化，导致流动计算复杂化， 而且也因传质伴随动量传递和能量传递，使连续、动量和能量方程更加复 杂。此外，相交界面上还可能直接发生热量交换。这些因素都有可能进一 步影响体系的状态平衡特性。 所以，两相流动比单相流动要复杂得多，到目前为止，两相流动虽然 在理论和实践两方面都取得了一些进展，但其研究仍处于发展阶段，而且， 在今后相当长的时期内，将继续是一个充满不同见解、实验性强、带有经 验和半经验色彩，充满着机会、突破和飞跃的学术领域。 众所周知，气液两相流在管内的流动存在着各种不同的流型，而气液 界面又很复杂和多变，因此，要想通过建立气波两相流动的微分方程组， 并按适当的边界条件进行求解是非常困难的。 与处理单相流动一样，对于两相流动也可以从物理概念出发，或者用 因次分析法，或者从基本微分方程中得到描述某特定两相流动过程的一 些无因次参数，再根据试验数据得到由这些无因次量所组成的经验关系 式a 另一种分析方法就是根据所研究的过程的特点采用适当简化假设，再 从两相流的基本方程求得描述两相流过程的函数形式，然后用试验方法定 出方程中的经验系数，这就是所谓的半经验方法。按上述经验或半经验处 理方法所得到的关系式或曲线一般都便于工程实际应用，但当试验条件 尽管相同或相似，对可靠性的要求却更大时，应用这两种方法自然有其局 重庆入学硕士学位论文1绪论 限性。 第三种分析方法是首先分清两相流的流型( 主要指管内流动) ，然后 根据各种流型的特点分析其流动特性并建立关系式。这种分析方法也有人 称为两相流的流体力学分析法。显然，采用这一方法，能更深入地探究两 相流的实质，并具有更普遍的意义。近年来，此方法受到了广泛重视，并 取得不少进展。但因两相流的流型分界目前还不能严格确定，通常只能采 用一些适用于特定流型的简单模型进行分析。在气液两相流动中，研究较 多、较成功的简单模型是均相流模型和分相流模型。 均相流模型是把两相介质看作为一种均匀的混合物，各相的速度均相 等，可用单相的连续介质力学的概念和方法处理，但需对两相均匀混合物 的物理特性和传递特性作合理的假定。分相流模型是人为地将两相流动看 作为两个单相流，且各以一种平均速度流动。这样，每一相可用连续介质 力学的概念和方法进行分析，但需考虑相间的相互作用。当两相流中的各 相流速相等时，这种分相流模型的方程与均相流模型的方程相同。般情 况下，均相流模型适用于质量流速较大的两相流体流动。这时，两相流呈 泡状或雾状流型。分相流模型适用于质量流速较低的分层、波状或环状的 流型。 1 9 8 4 年，j o s e p hk e s t i n 和曾丹苓教授“”基于均相流模型，采用几何 拓扑方法，分析了气液混合物在缩放喷嘴中的绝热流动过程，进而得到其 在相空间的运动迹线。研究发现，特征矩阵a = 0 时有可能产生激波，其 临界截面位于喷嘴的渐扩段，且随着背压的不同，位置稍有不同，但该截 面后的质量流量仍保持不变。与等截面管道不同之处在于，缩放喷嘴迹线 上= 0 的转折点所对应的流动在现实中并不一定可行，除非喷嘴被削减 一部分，使碍激波在出口处发生。同年，两位作者【l ”又针对单组份两相 流体的一维绝热流动，建立了双流体模型，并用几何拓扑分析方法对相空 间中的常规点、转折点、奇点的划分进行了讨论。研究结果表明，在一般 情况下，缩放流道中的临界截面位于渐扩段，其确切位置不仅与流道截面 形状有关，还与入口参数有关。 参考文献 1 9 对拉伐尔喷管中的超音速膨胀湿蒸汽凝结双相流进行了 研究。与以往求解过热水蒸汽通过一元喷管所采用的数学模型和解题方法 不同，该分析过程考虑了湿蒸汽的凝结，即在已有方程的基础上增加一个 描写成核和水珠生长过程的凝结方程式。在假定喷管入口为单相蒸汽的基 重庆大学硕士学位论文i 绪论 础上，计算得知，整个膨胀流动大致分成三个区段：过冷蒸汽膨胀区、蒸 汽剧烈凝结区、湿饱和蒸汽膨胀区。第一个区段内，形成的凝结水数量不 多，凝结放热对流动过程可以说不产生影响。第二个区段内，蒸汽急剧凝 结促使湿度迅速增大，同时放出大量潜热，使汽流速度下降，压力上升。 到第三区段，雾滴总数也基本不再增加。 黄素逸和魏保太在参考文献 1 中讨论了背压对高于饱和压力的热水进 入缩放形喷管后流动的影响。他们指出，在正常的膨胀条件下，当背压还 没有降低到足以使喷管出口处汽液两相流充分膨胀以前，喷管扩张域内将 会在某一截面发生激波，此截面后流动速度急剧下降呈亚音速。然而日本 学者土方等人o ”在实验中并没有观测到这种流动参数不连续的激波现 象，究其原因主要是气液相间摩擦造成的。 1 9 9 4 年，日本机械学会论文集中有文章m 1 针对渐缩喷嘴中存在超临 界压降并伴随相变的两相流( 液态永和水蒸汽) ，提出了三层流数学模型， 其中假设第一层仅为液相，第三层仅为气相( 蒸汽) ，而第二层( 中间层) 为液态和气态混合物，由此获得了压力沿喷嘴的分布情况和流量变化规 律。 1 9 9 7 年，吴少融o ”在大型热工水力学实验回路h r t l - 2 0 0 上，对低压、 低干度自然循环系统的两相流动进行了实验研究。实验结果表明，压力、 加热功率等对自然循环流量和流动的影响本质上受体积含汽率随质量含汽 率变化关系的制约。在实验范围内，流量变化可认为与压力基本无关；而 质量含汽率很低时，随着质量含汽率的增加，体积含汽率迅速增大，流量 也随之迅速增大，但在质量含汽率较大时，流量增大趋势变得很平缓。 1 9 9 8 年，蔡继勇 2 3 1 为了减小风道内用于测量空气量的文丘里管的压 力损失，对文丘里管内外流场建立起了k - 二方程紊流模型，并采用 s i m p l e 算法求解。通过计算发现，文丘里管结构的优劣程度，关键在于 其扩张段、收缩段设计的优劣程度，推荐收缩比0 6 、收缩角2 0 0 、扩张 角5 0 为设计文丘里管的最优参数。 田茂诚，符柔刚等人m 】贝0 建立了文丘里管内气液两相环状流的一维三 组分( 气芯、液滴和液膜) 模型，其中不但考虑了各相之间的能量交换。 还包括了相变，以及气芯卷吸液膜，形成新的液滴和液滴不断向液膜沉积 所引起的质量传递。同时，还建立了相应的实验台，在冷态下测定了气液 两相的压力分布，在热态下对烟气的温度分布和气液两相的换热情况进行 了测试。理论计算和实验结果表明，文丘里管气液两相的换热主要与液体 的雾化方式、收缩段和喉部的结构有关，扩散段对换热的影响较小，但扩 散段直接影响到文丘里管内介质的压力回升，对文丘里管的流动阻力影响 较大；且在一定的文丘里管结构下，存在着气液两相参数的最佳组合以使 换热效率最高，甚至可达9 5 以上。 宋蔷 2 ”研究了绝热条件下层流泡状流在垂直管充分发展段的运动情 况。在对气泡受力进行分析的基础上，采用了双流体模型及时间平均方法， 来预测空泡率、液相速度等重要参数的径向分布。但不同工质与不同工况 下相间作用力的表述各不相同，这大大限制了此方面研究的深入。陈韶华 0 6 3 则采用分离流动模型模拟了波形板汽水分离器内的汽水两相流动，对 波形板内液滴的运动轨迹和分离效率进行了数值计算，发现进口速度和通 道结构尺寸对流动压力损失均有较大影响。 盛春红等人认为在倾斜管中，由于重力的影响，汽液两相流中会出 现相分离，以致沿管子周向传热不均匀。因此对o = 1 4 0 的倾斜直管进行实 验研究。实验结果表明，管子顶部壁温比底部高，并且随着质量流速的增 大或者压力的升高，临界干度都会降低，但热负荷对临界干度的影响不大。 李小燕口8 1 在对汽、液两相流管网系统进行仿真的基础上，指出相分离 现象是存在于两相流管网中的一个独特现象。若考虑相分离，蹦从主管道 进入各个分叉管的两相流体的含汽率是不同的。同时，还认为两相流管网 中的流阻分布是非线性的，支管阻力比单相流管网中的阻力要大。 1 9 9 9 年，王妍艽针对油气管内气液两相流动，提出了一个等温流 动的瞬态模型。该模型中对控制方程组中的动量平衡方程作了局部平衡假 设，并以分层流动为例。采用交错网格和隐式离教格式。计算了压力、含 液率等参数的分布。但其并未考虑传热和相间的质量交换。 李炎锋口“在对加热管内湿蒸汽流动进行研究时，考虑到湿度较低，便 依据不同大小水滴的分布规律，将湿蒸汽处理成等价含有均一直径水滴的 汽流。从而建立一维数学模型，得到了管壁温度场分布。 尽管上述参考文献对气液两相流在管道内的流动，提出了各种不同的 模型及相应的计算方法，但是当他们的