（市政工程专业论文）水平管道气水两相流摩擦压降特性研究.pdf

摘要 摘要 本论文以水平管道内气水两相流为研究对象，对不同管径内两桐流的流型及 单位摩擦压降进行了试验和分析，对影响两相流摩擦阻力系数的因素进行了研 究，并提出了计算两相流摩擦压降的简化方法。 研究结果表明，气相折算流速的大小会影响弥散泡状流的长度大小，液相折 算流速的大小会影响气泡的上浮，本试验条件下，管道内出现了气塞流和弥散泡 状流，根据分析和试验中观察到的结果，确定了判别流型的标准。液相折算流速 和气水比会影响气水两相流单位摩擦压降的大小，在弥散泡状流时的单位摩擦压 降比气塞流时大，原因是弥散泡状流时界面浓度大、相间能量的交换程度高所致， 当液相折算流速达到一定程度后，界面浓度趋于稳定，相间的能量交换程度对单 位摩擦压降的影响减弱。影响两相流摩擦阻力系数的主要因素为管壁的相对粗糙 度、干度、液相表观雷诺数和气相表观雷诺数。根据试验结果，提出了利用单相 水流摩擦压降计算气水两相流摩擦压降的简化方法。 关键词：气水两相流流型单位摩擦压降液相折算流速 摘要 a b s t r a c t i nt h i sp a p e la j r - w a t e rt w o p h a s ei nh o r i z o n t a lp i p ew a st a k e na st h er e s e a r c h o b j e c t ，t w o p h a s e s 玎o wp a t t e ma n du n i t 仃i c t i o np r e s s u r ed m pf o rd i f ! f e r e n tp i p e d i a m e t e rw a st e s t e da n da n a l y z e d ，t h ei n n u e n c ef a c t o r so ff r i c t i o nr e s i s t a n c e c o e 仃i c i e n tw a sr e s e a r c h c d ，s i m p l em e m o do fc a l c u l a t i o nf r i c t i o np r e s s u r ed m pw a s b r o u g h tf o r w a r da sw e l l r e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a ts u p e r f i c i a lv e l o c i t yo fa i rp h a s ec a ni n f l u e n c ct h e l e n g 出o fd i s p e r s e db u b b l yf | o w ，s u p e r f j c i a lv e l o c i t yo fi i q u i dp h a s ec a ni n n u e n c e b u b b l e sr i s e ，i nt h i st e s t sc o n d i t i o n ，p l u gf l o wa n dd i s p e r s e db u b b l yn o w 印p e a r c di n p i p e ，a c c o r d i n gt oa n a l y s i sa j l do b s e r v a t i o nr c s u l td u r i n gt e s t ，d i f f e r e n t i a t i o ns t a i i d a r d o ff l o wp a t t e mw 器d c t e 册i n e d s u p e r f i d a lv e l o c j t yo fl i q u i dp h a s ea n da i r w a t e r m t i oc o u l di n n u e n c et w o p h a s e su n i t 打i c t i o np r e s s u f ed r o p ，u n i tf r i c t i o np r e s s u r e d m pu n d e rd i s p e r s e db u b b l yn o w i sb i g g e r t h a np l u gn o w s ，t h er e a s o na sf o l l o w s ： u n d e rd i s p e r s e db u b b l yn o w ，i n t e r f a c ec o n c c n t r a t i o ni sb i g g c rt h a np l u gn o w s ， d e g r e eo fe n e 唱yc h a i l g i n gb e 咐e e ng a sp h a s ea i i di i q u i dp h a s e i sh i 曲e lw h e n s u p e r f i c i a lv e l o c i t yo fl i q u i dp h a s er e a c h e s t oac e r t a i ne x t e n t ，i n t e a c ec o n c e n t r a t i o n g o e ss t a b l e ，i n n u e n c ct ou n i tf r i c t i o np r e s s u r ed m po fe n e 唱yc h a 百n gb e m e e ng a s p h a s ea n dl i q u i dp h a s ea b a t e s t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ff r i c t i o nr e s i s t a n c ec o e f 甄c i e n t a r er e l a t i v ef o u g h n e s s ，m a s sv o i df r a c t i o n ，s u p e r f i c i a lr e n a u l to fl i q u i dp h a s ea n d s u p e r f i c i a l r e n a u l to fg a sp h a s e a c c o r d i n gt ot e s tr e s u l t ， s i m p l em e t h o do f c a l c u l a t i o nf r i d i o np r e s s u r ed m pw a sb f o u g l i tf o r w a r d k e yw o r d s ： a i 卜w a t e rt w o - p h a s en o wp a t t e r nu n i tf r j c t i o np r e s s u r ed m p s u p e 嘣c i a iv e l o c i t yo fl i q u i dp h a s e 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 眵钐 日期：二_ f 年，月；日 北京建筑工程学院硕j ：学位论文 第1 章引言 在自然界中，两柏流动是一种最普通的流动形态，如大气中尘埃的运动，夹 带泥沙流动的江河，沸腾液体的流动等。在种类繁多的两相( 气一固、固一液、气 一液) 流动中，气液两相流动是最复杂的。这是因为气相是可压缩的，两相分界 面会发生变形，从而使相问的情况异常复杂。正因为如此，直到上世纪初，气液 两相流的研究才丌始起步，到一i ：1 【| = 纪六十年代，随着洛克哈特( l o c k h a r t ) 、马 丁内里( m a r t i n e l l i ) 等众多学者的努力，使两相流理论得到了迅速的发展，并广 泛应用于能源、动力等领域，如在2 0 世纪5 0 年代，通过对两相流沸腾传热、流 动沸腾烧蚀和高温流等问题的研究，解决了锅炉的烧蚀问题；而对气固两相流的 研究，解决了气力输送的问题，使之成为了广泛应用的技术，可以把尺寸为几微 米到1 0 0 毫米的物料输送到几米到几百公里的目的地。可见，随着两相流技术 的发展，促进了工业的进步。 降落在建筑物屋面的雨水与雪水，在短时间内会形成积水，故需要设置屋面 雨水排水系统，以便将积水及时输送到室外地面，防止积水溢流。按照雨水在管 道内的流态，可将屋面雨水排水系统分为重力无压流、重力半有压流和压力流三 类。重力无压流是指雨水通过自由堰流入管道，在重力作用下附壁流动，管内压 力正常；重力半有压流是指管内气水混合，在重力与负压抽吸的双重作用下流动； 压力流是指管内充满雨水，在负压抽吸作用下流动姐1 ，但流动是随着降雨历时及 强度的大小，由气水两相流向单相水流逐渐转变的阳儿“。由此可见，在重力半有 压流和压力流雨水排水系统中，都会出现气水两相流。在进行屋面雨水排水系统 的设计时，若用两相流的相关理论计算相关参数，会非常复杂。国内曾有人用 d u k l e r 两相流方法计算，结果误差较大；用量纲分析法，结果虽较好，但计算 参数多，计算方法复杂，且水气比值也不好确定，应用不便，最后采用较为简便 的重力流计算方法，即充满度为o 8 的有压非满流方法，给管道中的水流掺气留出 余地”1 。 设计出合理的屋而雨水系统，关键是要准确地给 设计中的相关参数，目前 的计算多以重力流计算方法或经验算法为主，如果能将两相流的理论引入计算， 则可以得到更准确的参数。 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 1 气液两相流的基本模型 1 1 1 气液两相流的基本特征”1 “相”是指某一系统中具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分， 也就是物质的单状态，如气态、液态和固念。一般而言，各相之间有明显分界 面。两相流是指同时考虑物质两相共存且具有明显相界面的混合物流体。 两相流最为显著的特征是在时空尺度上表现出的各相流速与相含率的不均 匀性、流动结构与参数的多值性和转交过程的不可逆性。两种不同相的物质共存 和运动所造成的系统内部不同区域各相的份额、流动参数等均存在差异，即使是 稳态流动，系统内部不同区域间的相态及其分布也是不均匀一致的。 两相流的另一个显著特征是混合物系统中存在明确的相界面，并且伴随着混 合物的流动，这些相界面的状态、形状也处于不断的运动或变化发展中。严格来 讲，相界面是指将两种不同相的物质分隔开的区域，在此区域内物质的特征和性 质不同于其他区域。 1 - 1 2 气液两相流的流型特性 对单相流体，为研究其流动特性而把流态分成层流和紊流。对两相流，由于 两相介质的共存和相界面形态的多变，使问题大为复杂。流型同样是影响流动的 重要因素，相应于不同的流型，即便系统运行的宏观参数相同，两相流场中的状 态及流动参数的分布与取值也不会相同，表现出一种流动结构与参数的多值性。 流型及其转变特性的研究，是两相流中摩擦阻力系数、相含率和流动不稳定性研 究深入精确和数学化的先决条件。 气液两相流体在水平管中流动时的流型可分为6 种，如图1 1 所示。在细 泡状流型中，细泡大都位于管子上部：当气体流量增加时，小气泡合并为气塞形 成气塞流型；分层流型发生于气液两相的流量均较小时，此时气液两相分开流动， 两相问有一平滑分解面；当气相流量较大时，两相分解面上出现流动波，形成波 状分层流型：气相流量再增大，波状流中界面波峰增大到接触管项而形成气弹状 流型，但此时气弹偏向管子上部；当气相流量很高而液相流量较低时就会出现环 北京建筑1 = 程学院硕l ：学位论文 状流型。由于气弹流、气塞流只存在于很小的区域，它们之间的差别并不明显， 且流型分类过细对分析两相流动并无必要，所以较多的学者认为可以将气弹、气 塞流合并为问歇流”1 。 ，。1 _ if j7 _ 了0 - 气水三j ? 。 ， 一 。 一 12 3 至一二了 j = 二一一：二兰3t 二二蔓0 薹蓦水 456 1 细泡流；2 气塞流；3 一分层流；4 - 波状分层流；5 ，气弹流；6 环状流 图1 1 水平管中气液两相流的流型 1 1 3 气液两相流的数学模型” 两相流中各相在空间和时间上随机扩散，同时存在动态的相互作用，对于这 种复杂的瞬态问题，目前还无法得到完整的解析解。为了简化求解并提高的精度， 人们先后提出了以下几种数学模型。 1 1 3 1 均相流动模型( h o m o g e n c o u sf l o wm o d e l ) 均相流动模型是把气液两相混合物看作一种均匀介质，两相之间没有相对速 度，流动参数( 速度、密度等) 取两相相应参数的均值，而且不考虑两相分界面 上的不连续性。在此模型中，有两个基本假设： 两相间处于热力学平衡状态； 气液两相的流速相等，即为均匀流。 但实际上，气液两相的流速只有在高含气量或很小含气量时才近似相等，且 前人的研究表明，偏差随着质量流速的减小而增大，产生偏差的原因是假设两相 间没有速度差异。当质量流速较小时，浮力作用明显，导致两相速度间相当大的 差异；而质量流速较大时，液相湍动的结果使得两相的混合更加均匀，因此质量 流速增大时偏差减小。 1 1 3 2 分相流动模型( s e p a r a t e df 1 0 wm o d e l ) 分相流动模型是将气液两相都当作连续流体分别来处理，并考虑两相分界面 北京建筑t 程学院矾士学位论文 上的相互作用。此模型也有两个基本假设： ( 1 ) 两相间保持热力学平衡； ( 2 ) 气液两相的速度为常量，但不一定相等。气液两相都以一定的平均速 度在流道中流动。 分相流动模型在一定程度上考虑了两相间的相互作用，计算结果比均相模型 理想。当两相平均流动速度相等时。分相流动即可转化为均相模型。 1 1 3 3 漂移模型( d r i f t f l u xm o d e l ) 这一模型主要由z u b e r ”1 等人提出。它是在热力学平衡的假设下，建立在两 相平均速度场基础上的一种模型。漂移模型提出了一个漂移速度的概念，当两相 流以某一混合速度流动时，气相相对于这个混合速度有一个漂移速度，而液相则 有一反向的漂移速度以保持流动的连续性。在守恒方程组中将相问相对速度以漂 移速度来考虑，通过附加的气相连续方程来描述气液两相流动。 1 1 3 4 两流体模型( 1 w of i l l i dm o d e l ) 目前一致公认的最为完善可靠的模型是两流体模型。此模型将每种流体看作 是充满整个流场的连续介质，针对两相分别写出质量、动量和能量守恒方程，通 过相界面间的相互作用( 动量、能量和质量的交换) 将两组方程耦合在一起。这 种方法不必引入其他的假设条件，而且对两相流的流型没有任何限制，适用于可 当作连续介质研究的任何二元混合物，所建立的方程是目前最为全面完整的，但 方程中的变量多，方程复杂，求解比较困难。 1 2 气液两相流研究现状 且前，国内外对气液两相流研究的较多，研究内容主要集中在流型识别及转 化规律、瞬态流型的研究及简化、摩擦压降、空隙率、压力波的研究、测试技术 的研究等等。下面就与本课题相关的流型研究及摩擦压降研究进行简述。 1 2 1 流型判别的研究 两相流的流型及其转换研究是研究两相流中摩擦阻力系数、相含率等关键 参数的先决条件。在实际生产活动或科学试验中，鉴别流型的最简单方法是目测 北京建筑工程学院硕上学位论文 观察，但准确性不高。随着对两相流理论研究的深入，国外众多学者提出了鉴别 气液两相流流型的流型图，较著名的有：b a k e r 流型图o 、修正的b a k e r 流型图、 m a n d h a n e 流型图m 1 、t a i t e i 和d u k l e r 流型图1 、w e i s m a n 流型图1 ，只要知道图中 横纵坐标需要的参数，即呵查到相应的流型，但有时确定这些参数( 流量，干度 等) 很困难，且这类图的应用范围有限，在管道内径、气液相密度、粘度、表面 张力、折算流速方面有较多限制。 除了流型图外，还可以根据流型转变的机理得到转变关系式“，利用现场的 流动参数来确定流型，但同样面临着参数确定的问题。此外，流型图和流型转变 公式只能作为定性的判断的手段“。 我国对这方面内容的研究也很多。白博峰等人综述了根据参数波动过程实现 气液两相流流型在线识别的研究成果，重点介绍了两相流参数波动过程的统计和 非线形特征分析及其与流型之间的关系，从波动参数的选择、流型识别方法等方 面对研究进展进行了讨论“。 周云龙等人“”用压差波动信号测量气一液两相流的流型。压差波动法鉴别流 型的基本原理是：气一液两相流流动时，两相之间存在复杂的质量、动量和能量 交换，使得局部区域流动结构不断发生改变，这一情况在两相压力上充分体现出 来。流型不同，两相流动的扰动度不同，因此当不同流型的两相流体流过测试段 时，就会得到不同的压差波动信号，通过对研究这些信号的特征，即可对分层流、 泡状流、环状流等典型流态进行识别。 除此之外，周云龙等人“”还提出可以用小波分析理论来分析气液两相流压差 波动信号的奇异性，提出了种利用小波分析的l i p s c h i t z 指数与信号的能量特征 相结合的识别方法，对水平管中的气液两相流流型进行识别。陈宏等人“”则开发 出了电容式空泡传感器，他们认为，不同的流型会引起传感器探头内气液两相相 对权重的变化模式不同，对应于空泡传感器输出的时序信号则表现为不同形式， 根据此输出信号可以作为判断流型的依据。 1 2 2 压降的研究 在水平管内，气水两相流的压降由摩擦、加速两种压降组成，摩擦压降是山 壁面剪切应力以及相问剪切应力引起，加速压降是由压力降低引起的气相膨胀所 北京建筑工程学院硕士学位论文 致。在绝热的条件下，沿流体流动方向的干度是固定不变的，所以只要通道的截 面积恒定，流体的加速损失是非常小的，可以忽略不计。 水平管内的气液两相流压降是一个最基本也是最重要的问题，已经开展了多 年的研究，但并未获得满意的结果，由于压降与气、液两相的流速、密度有关， 而这些参数在流体的流动方向是变化的，且到现在我们还无法确切地知道这些参 数，所以确定两相流的压降还需要求助一些假设或使用经验半经验方法，造成有 的计算值和实际值的相差可达1 0 0 ，甚至更大“。 分析两相流的压降时，可选择多种模型( 见本章1 1 3 节) 进行分析。虽然漂 移模型、两流体模型考虑了不同流型或界面含气率沿流体流动截面的变化，有更 好的精确性，但由于计算过于复杂和研究不充分等因素，还没有得到广泛的应用。 而均相模型和分相模型已经积累了大量的试验数据，并且得到了广泛的应用。 均相模型把两相混合物看成均匀介质，按此模型写出的摩擦压降公式与计算 单相流压降的达西公式相同，但其中的参数要取两相相应参数的某种参数值。 分相模型是把两相流体人为地分为气体和液体两股流体。马丁内利一洛克哈 特方法( m a n i n e l l i l 0 c k h a r t ，以下简称l 广m 法) 是较好的、利用分相模型计算摩 擦压降的方法。此方法通过引入两相摩擦因子将两相流的摩擦压降与单相流的压 降联系起来。 1 3 本课题研究目标及主要内容 1 3 1 本课题研究目标 本课题研究目标为： 从均相模型和分相模型出发，分别推导水平管道内气液两相流的摩擦压 降方程； 确定本试验条件下气水两相流的流型，并提出定量判别流型的标准，为 后续研究分析奠定基础： 确定影响气水两相流摩擦压降的因素并进行分析； 确定影响两相流摩擦阻力系数的因素，并提出简化两相流摩擦压降的计 算方法。 北京建筑t 程学院硕士学位论文 1 3 2 本课题试验手段和研究内容 试验手段 本课题利用气水两相流的相关理论，以气水两相流在水平管道中运动时产生 的摩擦压降为研究对象，对不同管径、不同气水比时的气水两相流摩擦压降进行 测试，对测试结果进行分析，探索气水两相流摩擦压降的变化规律。 研究内容 ( 1 ) 从均相模型和分相模型出发，分别推导水平管道内气水两相流的摩擦压降 方程； ( 2 ) 根据压差信号确定本试验条件下流型；并提出定量判别流型的标准； ( 3 ) 分析不同流型下，影响气水两相流摩擦压降的因素，并对单相流与两相流 摩擦压降进行比较； ( 4 ) 确定影响气水两相流摩擦阻力系数的因素，并提出两相流摩擦压降的简化 计算方法。 第2 章流体流型与摩擦压降计算 2 1 单相水流分析 2 1 1 单相水流流态 单相水流的流态有两种，即层流和紊流，这两种流态是通过雷诺( r e ) 数判 别的： 胎：业；堕 ( 2 1 ) “ ， 式中 v 一管道中水的流速，m ，s ； d 一管道内径，m ； p 一水的密度，k g ，m 3 ； 儿一水的动力粘度，n s m 2 ： ，一水的运动粘度，m 2 s 。 胎数小，反映了粘滞力作用大，对流体质点运动起约束作用，到一定程度， 质点互不混掺，呈层流，反之则是紊流。一般胎数小于等于2 0 0 0 为层流，大于 2 0 0 0 后流态逐渐过渡到紊流。 2 1 2 单相水流摩擦压降 单相水流在圆管段中的摩擦压降 ，可由达西( d a r c y ) 公式计算： 忙a 吉丢 z ， 式中 a 一摩擦阻力系数，是表征沿程阻力大小的一个无量纲数； 卜管段长度，m ； d 一管道内径，m ； v 一管道中水的流速，m ，s ； g 一重力加速度，m ，s 2 。 由式2 2 可知，确定 是求解 ，的关键。水在管中的流型不同，则a 的值 北京建筑工程学院确上学位论文 也不同。当水为层流时( 船2 0 0 0 ) ，a 与管内壁的相对粗糙度詈( 绝对粗糙度a 与管内直径d 的比值) 无关，仅与肥数有关： a ：竺( 2 3 ) = 一 l z jj 尺p 数大f2 0 0 0 后， 不仅与r e 数有关，还可能与管内壁的相对粗糙度有 关。根据尼古拉兹试验可知，紊流状念时的a 变化如下： ( 1 ) 胎= 2 0 0 0 4 0 0 0 ，为层流与紊流的相互转化的过渡区，a 仅与m 数有 关，该过渡区的实用意义不大，人们对此的研究较少。 ( 2 ) 触 4 0 0 0 后，a 不仅与r e 数有关，还与相对粗糙度导有关。当月e 数 口 较小时e 璺里掣时，a 仅与相对粗糙度詈有关，可用尼古2 d r n d 拉斯公式计算： 击乩，。眺丢 。， 此时的流态处于紊流粗糙区。 由于紊流光滑区与紊流相糙区之白i 存存着讨游区，即混合摩檫状杰很名文 北京建筑工程学院硬士学位论文 献未给出混合摩擦状态的公式，会造成r 8 数和导为定值的情况下，用光滑区和 口 粗糙区公式计算摩擦阻力系数旯结果偏小。 王弥康”“对式( 2 5 ) 及( 2 6 ) 的使用进行了研究，结果表明，在混合摩擦 状态，如果不考虑相对粗糙度的影响，计算出的摩擦阻力系数a 的偏小，因为流 动工况经常发生在混合摩擦区，而使用上述式( 2 5 ) 及( 2 6 ) 可适应各种流动 状况。 目前，单相水流在紊流时，其各个阻力区还没有准确的方法判断，一般是根 据绝对粗糙度与粘性底层实际( 或理论) 厚度的关系判断，但计算较繁琐，且绝 对粗糙度也很难确定。除此之外，可以根据忍数和摩擦阻力系数a ，用莫迪 ( m o o d v ) 图呻1 进行判断，见图2 1 。 鼍 盛 t 毒缸知 图2 1 莫迪( m d y ) 图 2 2 气水两相流的流型判别与转换机理 2 2 1 气水两相流的流型判别 气水两相流的流态较单相流要复杂的多，它极大地影响着两相流动的压降及 流动系统的运动特性，因此识别和研究流型具有重要意义，迄今为止一直是国内 北京建筑工程学院硕士学位论文 外高度重视的研究课题”“。 气水两相流流型的判别方法很多”“，除了用传统的流型图外，还可用一些测 试方法加以识别，如目测法、光导纤维法、电导法等等，但有些方法不能探测所 有的流型，有些方法复杂、造价高。近年来应用较多的技术是压差波动法识别流 型，孙斌、周云龙等人”专门做了研究后，认为该测量方法简单可行，压差信号 可以客观地提供各流型的信息，并绘制了试验流型图，发现与曼德汉( m a n d h a n e ) 流型图比较相似，证明了试验的可靠性。 2 2 1 1 分层流的判别 分层流分为平滑分层流和波动分层流。平滑分层流的压差波动很小，近似为 一条直线，随着气相流量的增大，流型转为波动分层流，界面的扰动逐渐加大， 压差波动较平滑分层流大。 2 2 1 2 泡状流的判别 泡状流中，伴随着气泡的产生和破灭。由于存在大量的小气泡，气泡在产生 和破灭时会产生压力波动，但由于小气泡的能量很小，压差波动的幅值也很小， 且气液两相随机扰动的脉动频率较高，压差波动信号会出现高频率的特性。 2 2 1 3 间歇流的判别 间歇流包括弹状流和气塞流。随着含气率的增加，泡状流中的小气泡积聚成 大的气弹，其长度相当于数倍管径。在两个气弹之间，是充满小气泡的气弹，具 有这种结构的流体流动时会产生很大的压差波动。气液两相流动有一定的周期 性，但很不规则，压差波动曲线上有很大的峰值，在相邻峰值间存在着更小的波 动，说明流体流动时存在着流动结构相差很大且间隔分布的流动介质，且随着气 相折算流速的增加，压差峰值随之增加。 2 2 1 4 环状流的判别 气相流速很大时，会出现环状流，空气在管中心流动形成气柱，液相则形成 液膜在管壁上连续平稳的流动，壁面上不再有大量气泡的产生和破灭，液膜界面 上的波动引起的压差频率低，幅值也很小。 2 2 2 气水两相流的流型转换 t a i t e l 等人”“根据大气压下气水两相水平流动的流型试验结果，划分了流型 北京建筑工程学院硕士学位论文 同时引进了一些控制参数，构成了流型转换的控制参数组，对于水平管道的流型 转换判断有较好的普适性，其基本思路目前仍为其他研究者采用“1 。 2 2 2 1 分层流一间歇流流型转换 当气相通过波形交界面时，波峰受到加速，产生局部压力降，使峰部同时受 到抽吸作用，当抽吸力的作用大于峰部的重力作用时，波峰就会扩大，波峰到达 管顶并与之接触，形成间歇流。从力学角度看，气相惯性力与液相重力的综合作 用决定分层流间歇流流型转换。气相惯性力有助于流型由分层向问歇转换，而 液相重力则不利于流型转换。 2 2 2 2 泡状流动 ( 1 ) 细泡状流( b u b b l vf l o w ) ：液相流速很低，其紊流强度不足以将气相离散化， 气体量很小，可观察到液体中带有稀疏的小气泡流型； ( 2 ) 弥散泡状流( d i s p e r s e db u b b l yf 1 0 w ) ：在液相流速很高时，其紊流强度足够 大，素流应力使得气相分裂成较小的类球形小气泡，并以离散密集方式分布 在液流中，同时紊流应力克服气泡的上浮力，防止离散气泡的聚集。 2 3 气水两相流摩擦压降分析 如前所述，两相流摩擦压降可以按均相模型或分相模型分别计算。本节对两 种计算方法分别进行讨论。 2 3 1 描述两相流的基本参数 在分析两相流的摩擦压降时会涉及到众多参数， 2 3 1 1 流速类参数 ( 1 ) 质量流速沏) 质量流速是单位流通截面积上的质量流量。 m = 一 爿 式中，肘一气液两相的总质量流量，姆肛； 爿一管道的流通截面积，m 2 。 这些参数的简要说明如下。 ( 2 7 ) 北京建筑工程学院硕上学位论文 ( 2 ) 各相的真实流速m ) 、折算流速( 珥) 各相的体积流量除以流动中各相各自所占的流通截面积为各相的真实流速。 。? ：盟：丝巫( 2 8 ) 爿f爿。 式中，i f 或g ，表示波相或气相； q f 一气相或液相的体积流量，m 3 居； 爿，一气相或液相所占的管道流通截面积，： m 一气相或液相的质量流量，置g 店； p ，一气相或液相的密度，姆州3 。 单位流通截面积上的容积流量，称为折算流速，它表示气液两相混合物中的 任意一相单独通过整个通道截面积时的速度。 卟等 ( 2 - 9 ) 各符号含义同前。 ( 3 ) 滑动比与相对流速( 诈) 气液两相的真实流速之比，称为滑动比；之差称为相对速度。 s = 二墨_( 2 一l o ) v ， p ，一v g 一”f ( 2 1 1 ) 各符号含义同前。 2 3 1 2 含气率参数 ( 1 ) 截面含气率( 口) 气相流动在任意截面上所占通道截面积与总的流通截面积之比，称为截面含 气率，又称空隙率。 d ：生( 2 一1 2 ) 爿 各符号含义同前。 ( 2 ) 容积含气率( 口) 北京建筑工程学院硕士学位论文 容积含气率是指气相体积流量与总体积流量之比。 卢= 盘 ，。， 各符号含义同前。 ( 3 ) 质量含气率 质量含气率是指气相质量流速占两相总质量流速的份额，又称干度。 x ： 竺! ；竺! ( 2 一1 4 ) m g + m l m g + m | 各符号含义同前。 2 3 2 分相模型的两相流摩擦压降 分相模型是把两相流体人为地分为气、水两股流体，二者互不干扰，且都有 自己的平均速度。工一m 法是一种较好的计算方法，此法有如下假设：( 1 ) 两相间 没有相互作用，即意味着两相流中各相的摩擦压降应等于它们单独流经其在两相 流中所占截面积时的摩擦压降，并假定气相和液相的压降相同；( 2 ) 两相间保持 热力学平衡状态；( 3 ) 气水两相的速度为常量，但不一定相等，假定气水两相都 一定的平均速度在管道中流动。 分相模型的两相流摩擦压降计算使用了摩擦因子中品的概念： 肿= 口。西品 ( 2 1 5 ) 式中 ，l ，。一气水两相流动的摩擦压降； ，。一气、液两相流体假设全部为液体时的摩擦压降； 庐三一摩擦因子，也称全液相折算系数。 l m 法是通过摩擦因子将两相流的摩擦压降与单相流的摩擦压降联系起来， 此方法还定义了一个参量x ( 称为马丁内利参量) ： x ：坐；堕 ( 2 一1 6 ) d h k d t h | g 式中 ，一两相中的液相单独流动时的摩擦压降， ，。一a ，吉k 丢监； 北京建筑工程学院硕士学位论文 饥一两相中的铺单独溯时的摩擦鹏吐吉筹。 根据参量j ，可求得分液相折算系数毋f 2 和分气相折算系数毋；，再通过这 两个参数求得中品。 咖? 和西；的求解方法于1 9 4 9 年由l o c k h a r t 和m a n i n e l l i 给出的关系图1 读 出，后由c h i s h o i m 给出的关系式计算汹3 ： 咚，+ ；专 ( 2 _ m ；= 1 + c x + 2 ( 2 1 8 ) 在两相均为蠢流时，7 k 平管取c = 2 】：立管取c = 2 6 。 2 3 3 均相模型的两相流摩擦压降 两相流的均相模型有如下假设：( 1 ) 两相流动看作是混合均匀并具有平均流 体物性的流动：( 2 ) 各相的真实流速相同；( 3 ) 两相间处于热力学平衡状态。基 于以上的假设，均相模型中的流动参数可以取两相相应参数的某种平均值。因此 两相流动的摩擦压降，l ，。可写成与单相流流动相似的形式： “印砉斋 c z 一 式中 。一两相混合流体的摩擦阻力系数； f 一管道长度，m ； d 一管道内径，l ： 卅两相混合流体的质量流速，培伸2 神； p 。一两相混合流体的密度，姆伽3 。 其中，两相混合流体的密度p 。可 i j 下式确定： p 印= a j d g + ( 1 一a ) p f ( 2 2 0 ) p 。一气相密度，始卅3 ； 北京建筑工程学院硕仁学位论文 n 一液相密度，培肺3 a 截面含气率。 根据假设条件：各相的真实流速相同，则有口= 卢，且卢与工之问有如下 关系： 胪习蒜 2 d 将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 2 0 ) 并整理 p 西 将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 一1 9 ) 2 瓦而硐 _ l d o ( 2 2 2 ) - t 矿孝丢b + 工。一t ) c z z 。， 在推导均相模型下的气水两相流摩擦压降时，也可以引入和分相模型类似的 摩擦因子，则式( 2 2 3 ) 又可以表示为： ，印叫专丢等i + 工( 州p 。- 1 ) 】吨。鲁 1 + 工( 州驴1 ) 即： ，。= 月。m 二 ( 2 2 4 ) 在均相模型中，两相流如果处于紊流光滑区，其摩擦阻力系数a 。应为均质 雷诺数r e 。的函数，可应用b i a s i u s 公式计算： 护瞄”舛阿” c z z s ， 在这里，最大的困难是如何确定均质模型的两相粘度。国外很多学者提 出了计算方法。但一般都要满足以下边界条件： 当x = o 时，卢昂= ，：当工= l 时，印譬岸g a 比较常用的是下面的方法： 印= 工p j + ( 1 一算) p ( 2 - 2 6 ) 北京建筑工程学院硕： 学位论文 第3 章试验装置与设备 3 1 试验装置 3 。1 1 试验装置 本试验的试验装置按气水两路设计，装置示意图如图3 1 所示。 1 1 l 一空压机；2 一气体稳压阀；3 一气体流量计组合；4 一斜三通；5 一试验管段：6 一差压变送 器：7 一u s b 数据采集卡；8 一超声波流量计；9 一超声波流量计探头；1 0 一计算机：l l 一贮水 池：1 2 一潜水泵：1 3 一水旁路 图3 1 试验装置流程图 试验段分别采用5 0 m m ( 内径3 8 9 m m ) 、2 5 m m ( 内径1 7 8 m m ) 和1 5 m m ( 内 径8 7 m m ) 的透明有机玻璃管，便于观察流动形态变化。管长为2 米，试验段的 前要留有适当的稳定段，一般要大于1 0 倍管径。试验段上选取3 个测压点，即 测点2 、l 、o ( 流体流动方向：测点2 一测点1 一测点0 ) 。测点2 、1 间的距离与 测点1 、o 白j 的距离均为1 0 倍管外径长度，测点示意图如图3 2 所示。 在3 个测点处，各丌一直径为1 m m 的小孔，并以小孔为圆心，各粘一个直径 为1 0 m m 、长1 0 m m 的有机玻璃管作为测压嘴，方便与差压变送器连接，粘接测 压嘴时注意到了小孔与粘接处的光滑，避免由于歼孔或粘接时出现的细小毛刺对 北京建筑工程学院硕士学位论文 压力测量产生影响。 钡0 试管i 敷d n l 5 ，2 5 ，s 0 ) 测点o测点l测点2多孔板 l 监虬4 j 皿叫 图3 2 测点示意图 在试验中，考虑用水射器进行气水混合，但使用水射器后，发现水流量无法 调节到较高值，且在管段中形成的气水混合物是射流状态，并不是均匀混合状态， 遂放弃使用水射器，并对气水混合装置进行了改造，自制了斜三通管，并在三通 的各端口内壁粘上内螺旋片，作用是促进气水两相流的混合。为了使气水混合物 均匀混合，在测试段之前加装了自制的多孔板，在测试时达到了均匀混合的效果。 贮水池中的水由潜水泵打入试验系统，用阀门调节流量；空气由空气压缩机 打入试验系统，送气量通过气体流量计调节。气水两相通过斜三通和孔板后，在 测试段形成了混合均匀的两相流，从试验段中出来的气水两相流，空气排空，水 经排水弯管直接排回到储水池中，以便循环使用。 3 1 2 主要试验设备 试验装置中的主要设备如下： ( 1 ) 空气压缩机。 ( 2 ) 潜水泵。 ( 3 ) 气体流量汁：l z b 6 型玻璃转子流量计。量程o 0 4 m 弧。 ( 4 )电容式差压变送器： n 5 i 型，量程o 1 0 0 k p a 。 ( 5 ) 超声波流量计：p o n a f l o w 3 0 0 型。 ( 6 ) u s b 数据采集卡：a d 8 2 0 1 h 型，并附带读取软件。 北京建筑t 程学院硕士学位论文 ( 7 ) 试验管段：圆形有机玻璃管，试验中采用的管外径分别为5 0 m m 、2 5 m m 、 1 5 m m ，相应的管内径分别为3 9 8 m m 、1 7 8 m m 、8 7 m m 。 ( 8 ) 计算机和稳压电源等。 3 1 3 数据采集系统 试验装置中设计了数据采集系统，该系统主要由差压变送器、超声波流量计、 u s b 数据采集卡等设备连接组成，它可保证在试验过程中连续采集到瞬时的压力 及流量数据。 3 1 3 1 差压变送器的连接 试验段的测点用引压管与差压变送器连接，差压变送器将采集到的压力信号 转换为电信号，再通过u s b 数据采集卡传输至计算机进行数据读取。 3 1 3 2 超声波流量计的连接 将超声波流量计的两个测量探头固定在水路管道上( 探头间距由管材、管径、 管壁厚、流体类型等参数确定) ，再将超声波流量计的信号输出端连接到u s b 数 据采集卡上，即可在计算机上读取水流量的实时变化情况，并根据超声波流量计 的屏显变化进行水流量调节。 3 1 3 3 差压变送器的校准 差压变送器将采集到的压力信号转换为电信号，并以电压值显示在计算机 上，所以需要对其进行校准，建立压力值与输出电压值的关系。校准前，将u 型 管注好水，差压变送器、可加气的气囊和u 型管的一端接在个三通管上，u 型 管的端通大气。启动数据采集系统，用气囊加气使u 型管中产生液位差，此差 值即为差压变送器采集到的压力大小，读取此差值，并读取差压变送器输出的相 应电压值，重复此操作4 5 次，使u 型管出现不同的液位差，可得到压力电压关 系，应用e x c e l 软件拟和出它们之问的线形关系，见图3 3 、3 4 和3 5 所示。 测试时，将得到的结果带入拟和后的线性关系式，即可得到对应压力的大小， 之后即可对它们进行分析。 翁5 0 * 4 0 3 0 幽2 0 l o o 籀5 0 * 4 0 茸 3 0 鹾2 0 1 0 0 北京建筑工程学院硕士学位论文 o0 51 52 电压( v ) 图3 3 测点o 差压变送器的电压压力关系曲线及关系式 oo 5 1 5 2 电压( v ) 图3 4 测点1 差压变送器的电压压力关系曲线及关系式 oo 5 电雎( v ) 1 5 图3 - 5 测点2 差压交送器的电压压力关系曲线及关系式 2 0 2 5 伯 r 2 = o 9 9 9 9 j ：j ：三_ 三! 三j 一 7 6 伯蚰加m o 一丰*。)r匿 北京建筑工程学院硕j 二学位论文 3 2 试验操作步骤 本试验需测量在水单相流和气水两相流情况下各测点的压力，试验操作步骤 简述如下： 3 2 1 水单相流测试 ( 1 ) 启动水泵，打丌上水阀门，当测试管道和引压管内充满水后，将差压变 送器的排气阀打开，之后挤捏引压管，将管内及差压变送器内的空气排净，直至 排气阀出现连续水流为止，并拧紧排气阀。 ( 2 ) 调节上水阀门，根据超声波流量计显示的流量值，将水流量调至待测值， 启动数据采集系统进行数据采集，直至读数稳定( 一般需要5 m i n 左右) ，读数。 ( 3 ) 调节水流量，重复第( 2 ) 步操作。 ( 4 ) 试验完成后，关闭上水阀门，停泵。 3 2 2 气水两相流测试 ( 1 ) 启动水泵，打开上水阀门，当测试管道和引压管内充满水后，将差压变 送器的排气阀打开，之后挤捏引压管，将管内及变送器内的空气排净，直至排气 阀出现连续水流为止并拧紧排气阀。 ( 2 ) 调节上水阀门，根据超声波流量计显示的流量值，将水流量调至待测值， 启动空压机，根据气水比，将气体流量调至某一值，启动数据采集系统采集数据， 直至读数稳定( 般需要5 m i n 左右) ，读数。 ( 3 ) 保持水流量不变，改变气水比、调节气流量后，继续进行数据采集。 ( 4 ) 待某一水流量下，不同气水比的两相流试验数据全部采集后，改变水流 量至另一待测数值，再根据不同的气水比进行气量调节和测试。 ( 5 ) 试验完成后，关闭上水阀门，停泵停空压机。 北京建筑工程学航预、上学位论文 第4 章流体流型的试验分析 确定流体的流型对于单相和两相流体而言是非常重要的，流型是确定单相流 摩擦阻力系数的关键，对于两相流而言，由于其流动的复杂性，不同的流型导致 摩擦压降、阻力系数等参数大不相同。 4 1 单相水流的流型试验分析 通过对水单相流的压降测试，可以根据不同的流型，求得摩擦阻力系数，作 为与两相流摩擦阻力系数比较时的依据，同时，可以根据测试结果来判断测试方 法的正确与否。 4 1 1 测试结果 对d n 5 0 m m 、d n 2 5m m 和1 5 m m 三种管道进行单相流测试，分别按如下的 体积流量测试：d n 5 0 m m 管道流量范围为1 l s 5 l s ( 流速为o 8 0 4 0 2n 临) ， 测量间隔为o 5 l s ：d n 2 5 m m 管道流量范围为o 5 l s 1 9 l s ( 流速为2 0 1 7 6 4 m s ) ，测量间隔为o 2 5 l ，s ；d n l 5 m m 管道流量范围为0 1 l s 0 2 5 l s ( 流速为 1 6 8 4 2 1m s ) ，测量间隔为0 0 2 u s 。各测点间的压降随流量变化情况见图4 1 、 4 2 和4 3 所示，具体的测试数据见附录a 。 一 皇 时 “ 专 蛙 r 出 趟 瓣 水流速o 以) 图4 - id n 5 0 单相水流，两测点问单位压力降 北京建筑工程学院硕一l 学位论文 3 5 3 0 2 5 穹2 0 世 r 1 5 幽 坦l o ：卧 5 o 吕 1 曼 、 篷 r 出 趟 蒋 0123 4 5 6789 水流速觚) 图4 2d n 2