（流体机械及工程专业论文）立式螺旋管内气液两相流摩擦阻力特性研究.pdf

，-，ii d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r a ni n v es t i g a t i o no ft h ef l u c t i o n a l p r e s s u r ed r o po fa i r w a t e rt w o p h a s e f l o wi nv e r t i c a lh e l i c o i d a lc o i l e dt u b e c a n d i d a t e ：l ij i a a d v i s o r ：f a n gz h i m i n j i a n gn i n g ji a n gl n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y n o v2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 储答名：亏 日期：如解，二月二7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 蠊 弦 t 多 岈r 嘉 浙江工业大学硕士学位论文 立式螺旋管内气液两相流摩擦阻力特性研究 摘要 螺旋管换热器已较广泛地应用于各种工程工业中，但对螺旋管内气液两相流 压力降的研究至今不多见。本文用实验研究方法和数值模拟方法对螺旋管内压力 降进行研究： 1 本文对螺旋管内的气体单相流摩擦阻力进行实验研究，分析气体单相实验 数据，拟合出一条螺旋管内单相流摩擦阻力的经验关联式，误差不到3 ，精度较 古 间o 2 本文对螺旋管内的气液两相流摩擦阻力进行实验研究，分析认为干度和质 量流量对摩擦压力降的影响最大。又分别使用了均相模型方法和分相模型方法对 实验结果进行了分析，通过用均相模型方法对实验结果进行分析时误差很大，发 现均相模型方法的误差很大，不适用于实际问题；通过用l m 分相模型方法对实 验数据进行分析，在l m 分相模型及c h i s h o l m 拟合式的基础上，对l m 分相模 型方法进行了修正，得到一条螺旋管两相摩擦阻力系数的计算关联式，在气相雷 诺数较低时，本文关联式精度较高，在气相雷诺数较高时，本文关联式精度较低， 关联式最大误差不超过2 0 。 3 本文借助数值模拟方法对螺旋管内的摩擦阻力压力降进行了研究。首先进 行了在相同工况下实验研究结果与数值模拟结果之间的对比，发现误差不是很大， 结果表明用数值模拟方法对螺旋管内的摩擦阻力压力降进行研究是可行的。然后 在之前模型的基础之上，又对带热交换条件的螺旋管内摩擦阻力压力降做进一步 的数值模拟研究，对不同热交换条件下的数值模拟结果进行了比较研究。 关键词：气液两相流，摩擦阻力压力降，螺旋管，分相流，c f d 浙江工业大学硕士学位论文 a nd m s t i g a t i o no ft h ef i u c t i o n a lp r e ss u r e d r o po fa i r w a t e rt w o p h a s ef l o wi nv e r t i c a l h e l i c o i d a lc o i l e dt u b e a bs t r a c t s p i r a lh e a te x c h a n g e rh a sb e e nm o r ew i d e l yu s e di nv a r i o u se n g i n e e r i n g ，b u tt h e s t u d yo fp r e s s u r ed r o po ft w o - p h a s ef l o wi nh e l i c o i d a lc o i l e dt u b e si sr a r e i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t a lm e t h o da n dn u m e r i c a lm o d e l i n gm e t h o dw e r eu s e dt os t u d yt h ep r e s s u r e d r o po ft w o p h a s ef l o w ： 1 i nt h i sp a p e r , a ne m p i r i c a lc o r r e l a t i o na b o u tf r i c t i o nf a c t o ro fa i rs i n g l e p h a s e f l o wi nv e r t i c a lh e l i c o i d a lc o i l e dt u b e sw a so b t a i n e df r o mo u rp r e s e n td a t a ，t h ee r r o rw a s l e s st h a n3 2 i nt h i sp a p e r , f r a c t i o n a lp r e s s u r ed r o po fa i r - w a t e rt w o - p h a s ef l o ww a ss t u d i e d i nav e r t i c a lh e l i c a lc o i l e dt u b e b a s e do np r e v i o u ss t u d i e s ，an e wc o r r e l a t i o nw a s o b t a i n e df r o mo u rp r e s e n td a t a i tc o u l dh ea p p l i e di nt h es i t u a t i o no fl o wp r e s s u r ea n d l o w m a s sf l o w i nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，r e s p e c t i v e l y ，t h eh o m o g e n e o u sf l o wm o d e l a n dt h es e p a r a t e df l o wm o d e lw e r eu s e dt od e a l 、析mt h er e s u l t s w ef o u n dt h a tt h e h o m o g e n e o u sf l o w m o d e lw a sn o tg o o dt od e a lw i t ht h er e s u l t s ，a n dw ea l s of o u n dt h a t t h el mm o d e la p p r o a c h , o n eo fs e p a r a t e df l o wm o d e l s w a sb e t t e rt od e a lw i 也t h e r e s u l t s 3 w i mt h eh e i po fn u m e r i c a lm o d e l i n gm e t h o d , t h ef r i a i o np r e s s u r ed r o pi na h e l i c o i d a lc o i l e dt u b ew a ss t u d i e d f i r s t ，t h ef r i c t i o np r e s s u r ed r o po ft w o - p h a s ef l o wi n t h eh e l i c o i d a lc o i l e dt u b ew e r ec a l c u l a t e db yt h en u m e r i c a lm o d e l i n gm e t h o d ，t h er e s u l t s w e r es i m i l a r 谢t 1 1t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ，s ow eb e l i e v e dt h a t t h er e s u l t sc a l c u l a t e db y t h en u m e r i c a lm o d e l i n gm e t h o di sc r e d i t a b l e t h e nb a s e do nt h ep r e v i o u sm o d e l ，w ed i d f u r t h e rr e s e a r c ha b o u tt h et h ef r i c t i o n a lp r e s s u r ed r o pi nt h eh e l i c o i d a lc o i l e dt u b e k e yw o r d s ：a i r - w a t e rt w o p h a s ef l o w , f r i c t i o n a lp r e s s u r ed r o p ，h e l i c o i d a lc o i l e d t u b e ，s e p a r a t e df l o wm o d e l ，c f d 浙江工业大学硕士学位论文 摘要。 a b s t r a c t 第1 章绪论。 目录 i i i i 1 1 1 气液两相流动简述1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 第2 章 2 1 2 2 1 1 1 气液两相流的定义及基本特征一l 1 1 2 气液两相流的分类2 1 1 3 气液两相流的研究历程一3 气液两相流的研究和处理方法4 1 2 1 研究方法4 1 2 2 分析处理方法5 1 2 3 气液两相流实验技术5 1 2 4 数值模拟方法概述6 螺旋管内的气液两相流动特性研究现状7 1 3 1 螺旋管内气液两相流动特性研究历程7 1 3 2 螺旋管内气液两相流动流型研究现状一8 1 3 3 螺旋管内气液两相流摩擦阻力特性研究现状8 1 3 4 螺旋管内两相流研究趋势9 研究目的l o 研究内容及思路1 0 1 5 1 研究内容1o 1 5 2 研究思路步骤1 0 仓0 新点11 管内气液两相压力降研究1 2 管内气液两相流的基本数理模型1 2 2 1 1 均相流模型( h o m o g e n e o u sf l o wm o d e l ) 1 2 2 1 2 分相流模型( s e p a r a t e df l o wm o d e l ) 1 3 2 1 3 漂移模型( d r i f t f l u xm o d e l ) 1 3 2 1 4 两流体模型( t w of l u i dm o d e l ) 1 3 气液两相流压力降计算方法研究1 4 2 2 1 均相流模型方法1 6 2 2 2 分相流模型方法1 7 v 目录 2 3 2 4 第3 章 2 2 3 螺旋管内摩擦阻力压力降计算方法1 8 影响气液两相流摩擦阻力压力降的因素2 0 本章小结2 0 立式螺旋管气液两相流摩擦阻力压力降实验研究2 l 3 1实验系统及装置2 1 3 1 1 实验管圈参数一2 2 3 1 2 实验仪器。2 2 3 2 实验参数范围、介质物性及参数换算2 3 3 2 1 实验参数范围2 3 3 2 2 介质物性2 3 3 2 3实验参数换算。2 4 3 3 实验步骤2 5 3 3 1空气单相流测试2 5 3 3 2 气水两相流测试2 5 3 3 3 气水两相流分组2 6 3 5空气单相流实验结果分析2 6 3 6 空气水两相流实验结果分析2 8 3 6 1 影响摩擦阻力压力降的因素2 9 3 6 2 两相摩擦阻力计算关联式3 0 3 7 本章小结3 4 第4 章摩擦阻力压力降数值计算方法及模型建立3 6 4 1数值模拟计算方法概述3 6 4 1 1 螺旋管的两流体基本方程3 6 4 1 2 两相流计算模型3 7 4 1 3 常用湍流模型4 1 4 2f l u e n t 软件的概述4 6 4 2 1 有限体积法。4 6 4 2 2f l u e n t 软件的程序结构4 6 4 3 螺旋管的建模及网格划分。4 7 4 3 1螺旋管的建模4 7 4 3 2网格划分。4 8 4 4f l u e n t 的计算模型及参数设置4 9 4 4 1多相流模型的选择。4 9 4 4 2 湍流模型的选择4 9 4 4 3 材料物性的设置5 0 浙江工业大学硕士学位论文 4 4 4 边界条件设置5 0 4 4 5 运算环境设置5 0 4 4 6 求解器参数设置5l 4 4 7 算法51 4 5 本章小结51 第5 章摩擦阻力压力降数值模拟结果及分析。5 2 5 1数值模拟分组5 2 5 2 数值模拟模型的可靠性验证5 2 5 3 螺旋管内的气液两相流流场分析5 4 5 4 不同受热条件下的压力降对比分析5 7 5 5不同受热条件下干度对压力降的影响6 l 5 6 本章小结6 1 第6 章结论与展望。6 2 6 1 结论6 2 6 2展望6 2 参考文献6 4 致谢。 攻读学位期间参加的科研项目和成果 v 6 7 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 气液两相流动简述 多相流现象广泛存在于能源、动力、石油、化工、制冷、冶金等工业过程中， 对多相流的流动特性研究对于设备的设计和运行都至关重要。多相流体的一个最 重要的特点就是流动的各相之间存在着一个受流动影响的界面，各相分界面的分 布随着流量、流体的特性、管道的尺寸和方向等各种因素而变化。同时，多相流 中各个相之间又存在着速度差，多相流的这些特点造成了多相流问题的复杂性要 远远高于单相流问题。 在动力、核能、化工、石油、制冷、冶金等工业中，各种沸腾管、各式气液 混合器、气液分离器、各种热交换设备、精馏塔、化学反应设备、各式冷凝器及 蒸发器等都广泛存在气液两相流体的流动和传热现象【l 3 1 。各种设备都只有在气液 两相流力学指导下才能安全工作。在这些工业应用领域中，对多相流体的温度、 压力、流量和流动型态等流动参数的测量，对其工作机理的掌握是十分重要的。 但由于技术上的欠缺，多相流参数检测问题，流型识别和压力降及摩擦阻力特性 等问题长期未能得到很好的解决。 几十年来，国内外科技工作者在解决两相流流动压力降及摩擦阻力问题上开 展了大量的理论与实验研究工作，已经取得了一些成果，并在一定范围内得到应 用，但是仍存在许多问题。多相流管流体系中以两相流动最为普遍，我国在“八 五 、“九五”科研项目以及“8 6 3 ”等高科技项目中都对两相流的研究给予了高 度重视，两相流测试技术的研究取得了很大进展，但目前两相流技术的发展水平 还远未满足工业应用的要求，是一个亟待发展的研究领域。 1 1 1气液两相流的定义及基本特征 在流体动力学中，动力学性质相近的一群物体就可以称为一相。各部分均匀 的气体或液体的流动可称为单相流体的流动或简称为单相流，当各部分之间存在 差别时，这种流动则称为多相流川。 第1 章绪论 气体和液体的混合流动称为气液两相流。要属于气液两相流，还必须满足以 下两个条件：一是必须存在相的界面；二是相界面必须是运动的【5 1 。 气液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 均一性、流动结构与参数的多值性和转变过程的不可逆性。两种不同的物质共存 和运动所造成的系统内部不同区域各相的份额、流动参数等都存在差异，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的。 气液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 着气液混合物的流动，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。 自然界中诸如大气中的气雾，日常生活中开瓶后啤酒中气泡的运动、水烧开 时水壶中的气泡运动，工业中蒸汽轮机内湿蒸汽流动，锅炉内的汽水流动等等都 是气液两相流的例子。 1 1 2 气液两相流的分类 根据参加流动的各组分，气液两相流可分为单组分汽液两相流和双组分气液 两相流。例如，水蒸汽和水的组分是相同的，所以汽液混合物的流动属于单组分 汽液两相流；空气和水的组分是不同的，所以空气和水混合物的流动属于双组分 气液两相流。单组分汽液两相流在流动时根据压强的变化的不同会发生相变，即 部分液体能汽化为蒸汽或部分蒸汽凝结为液体；双组分气液两相流则一般在流动 时不会发生相变【5 】。 根据热交换情况不同，还可分为与外界无加热或冷却等热量交换过程的绝热 两相流和有热量交换的两相流。在有热量交换的两相流中，伴随这流动过程还常 会发生单组分工质的相变( 即液体汽化成蒸汽或蒸汽凝结成液体) 。 通常情况下，气液两相流动体系总是由两种连续介质或一种连续介质和若干 种不连续介质组成。连续介质称为连续相，不连续介质( 如水泡、液滴等) 称为 离散相( 或非连续相) 。根据流动介质的连续与否，可以把多相流动分为两类：连 续相中含有分散相的均匀或不均匀的混合物的流动，普通多相流动多指这种流动； 相交界面相互作用起着重要作用的流动，此时两相介质是均匀的，但必须考虑相 界面的力学关系。 2 浙江工业大学硕士学位论文 气液两相流的两相，可以是在同一个方向上流动的“同向流动”，也有可能是两 相在相反方向上的流动，即“反向流动”。液相的平均速度与气相速度相垂直的流动， 即气相以分散的气泡方式穿过液层的“浮泡”运动等。 1 1 3 气液两相流的研究历程 多相流体力学是研究多相流体在绝热流动或具有热交换流动时的力学的科 学，因而其形成与发展过程和流体力学以及传热学等学科的发展关系密切，并且 这些学科的发展都和世界经济与工程技术的进展有着密切的关系【6 】。 虽然两相流动力学只是在二十世纪五六十年代开始迅速发展，并在八九十年 代才逐渐形成的一个新的学科分支，可是同两相流有关的问题很早以前人类就在 生产和生活中遇到，并提出各种解决办法，积累了许多经验。 十八世纪中叶瓦特发明蒸汽机以来，由于缺乏气液两相流与传热方面的知识 曾经发生过不少工业事故，早先的一些蒸汽机车和蒸汽轮船的锅炉爆炸时间促使 人们去研究锅炉内的水循环和传热问题。十九世纪末和二十世纪初，已出现一些 论文论述了船用锅炉中的水循环与传热特性，有的还论及了气液两相流体流动时 发生的脉动问题。1 9 2 0 1 9 4 0 年间，发表了有关锅炉水循环中气液两相流动问题以 及气液两相流不稳定性的经典性研究论文。二十世纪四十年代以后，人们开始有 意识的总结归纳所遇到的各种现象和规律，用两相流的统一观点系统地加以分析 研究。1 9 4 9 年，两相流的名词( t w o p h a s ef l o w ) 首次出现在了正式文献中。5 0 年 代以后，随着动力工业中高温高压高参数的引入和商用核电站及宇航工业的快速 发展，大量有关气液两相流与传热学的研究论文开始出现，有关两相边界层、激 波在两相混合介质中的传播、空气理论、流态化技术、喷管流动等方面的研究论 文也显著增加。1 9 4 8 1 9 4 9 年l o c k h a r t ( 洛克哈特) 和m a t i n e l l i ( 马丁内里) 等人 先后提出气液两相流摩擦阻力计算的l o c k h a r t m a t i n e l l i 参数及经验方法。1 9 5 4 年 b a k e r ( 贝克) 提出了气液两相流的第一张流型图。2 0 世纪6 0 年代以后，越来越 多的学者从不同角度探索和描述两相流运动规律的基本方程。1 9 7 4 年国际多相流 杂志( i n t j m u l t i p h a s ef l o w ) 创刊，1 9 8 2 年首部多相流手册( h a n d b o o ko f m u l t i p h a s es y s t e m ) 出版。2 0 世纪8 0 年代以来国内也陆续出版了一些有关两相流 研究的教材和专著。 目前，国外已形成许多多相流研究中心。美国中西部2 0 多所大学与阿贡国家 3 第1 章绪论 实验室及工矿企业联合成立了多相流研究所，在日本成立了全国性的多相流学会， 学术活动十分活跃，涉及多相流问题的国际学术会议平均每年有十多次，刊登有 关多相流学术论文的国际杂志已超过3 0 0 种。近十年来，国内多相流及其传热传 质特性研究也很活跃，召开了多次国际学术会议，台湾及香港也已举办了两相流 体力学国际会议，中国力学学会、中国化学工程学会、中国工程热物理学会成立 了有关多相流的专业委员会。因此，两相流动力学作为一门独立的学科可以说己 经形成，并正在快速发展中【丌。 总的来说，两相流动力学的理论还很不成熟，尚处于发展初期，很多方面仍 停留在不同传统行业中特定条件下的经验总结，都还依赖于经验数据，而且数据 的分散性还很大。想要从以数学上严格细致为主的理论基础出发，将不同传统行 业中发展起来的解决两相与多相流系统问题的方法以及设计、运行中大量使用的 经验公式统一起来，并给出逻辑上科学完整的系统解释，使两相与多相流动真正 成为一门独立成熟的科学，还有很艰难很遥远的路程要走。 1 2 气液两相流的研究和处理方法 1 2 1 研究方法 与普通流体动力学类似，研究两相流问题的方法可以分为理论研究和实验研 究两方面。近几年来，数值模拟方法也应用的越来越广泛。由于许多两相流动现 象、机理和过程目前还不甚清楚，许多工程设计都只能依靠大量观察和测量建立 起来的经验关系式，因此，实验研究与测量在两相流领域目前仍占据着无可替代 的首要地位。 从理论研究方法来看，仍然存在微观和宏观两种观点。微观研究方法就是从 分子运动理论出发，利用b o l t z m a n ( 玻尔兹曼) 方程和统计平均概念及其理论， 建立两相流中各相的基本守恒方程。对于气液两相流而言，气体分子运动论发展 中的所有限制和困难都依然存在，物理上和数学上存在许多困难，目前还不能用 分子运动论来处理任何实际流动问题。 宏观研究方法，就是以连续介质假设为基础，将两相流中各相都视为连续介 质流体，根据每一相的质量、动量和能量宏观守恒方程以及相间作用，建立两相 流的基本方程组，再利用这些两相流基本方程组去研究分析各种具体的两相流问 4 浙江工业大学硕士学位论文 题。 迄今为止，在两相流及多相流领域的丰富成果大多数是以连续介质为理论基 础，通过理论与实践两方面的研究取得的。 1 2 2 分析处理方法 对于气液两相流的分析处理方法，目前主要有以下三种【6 j 。 其一是所谓经验方法，即从物理概念出发，或者用因次分析法，或者从基本 微分方程中得到描述某一特定两相流动过程的无因次参数，然后根据实验数据得 出经验关系式。其二是半经验方法，即根据所研究过程的特点，采用适当的简化 假设，再从两相流的基本方程求得描述该过程的函数形式，然后根据实验结果定 出方程中的经验系数。第三种方法是首先分清气液两相流的流型，然后根据各种 流型的特点，分析其流动特性并建立关系式。一般认为，这种方法是建立在两相 流的实质性特点的基础上，更具有普遍意义。 虽然迄今为止对气液两相流的实验和理论研究己取得了显著成果，不仅可以 解决许多工程技术中的有关设计运行问题，而且已奠定了进一步开展研究和探索 的基础。但是由于气液两相流问题固有的复杂性、多样性和测试手段的局限性， 故至今对于气液两相流的流动机理，流型形成，阻力特性，质量、动量和能量传 递等还不十分清楚，对其许多现象的分析还存在许多分歧。所以目前对气液两相 流的研究不得不采用基于实验数据的经验式或半经验式，或者直接进行实验模拟 研究。但是随着工程领域的不断发展，气液两相流方向的新课题不断提出和深化， 不仅可以推动对气液两相流现象的深入了解，为研究提供新的丰富的内容，也可 以为验证已有的模型、理论和关系式提供机会，从而使气液两相流学科得到进一 步的发展，而这种发展反过来又必将促进有关工程领域的进一步发展。 1 2 3 气液两相流实验技术 气液两相流实验技术与其他多相流实验技术一样，由于流体流动特性的复杂 多变，因而难度极大。为此，国内外研究人员作了巨大努力，涉及的技术门类极 其广泛。 目前，国内外在气液两相流实验技术及参数测量中采用的路线大体可分为以 下三大类： s 第1 章绪论 一是采用传统的单相流仪表与多相流参数测量模型组合的测量方法。因为传 统的单相流仪表不仅工作可靠，而且被许多应用者所熟悉，再根据被测对象的工 况配以合适的测量模型，能在一定的精度范围内解决许多气液两相流实验和参数 的测量问题。例如，根据两相流的流动特性，基于压力降脉动噪声建立的流量测 量模型，可以利用传统的孔板差压流量计来进行两相流流量的测量，或基于分相 流模型和均相流模型建立流量检测模型。又如在单相流中广泛采用的热学、电学、 光学等传感器，经过改造也广泛应用于气液两相流的测试系统中。再如采用多传 感器组合，进行气液两相流的多参数测量。这些方法取用信号少，测量装置一般 比较简单可靠，因而具有很大的工程应用价值。因而如何将成熟的单相流实验技 术和参数测量仪表更可靠、更广泛的应用于气液两相流测量中将是一个重要的研 究方向。 二是采用近代新技术，如激光技术、辐射线技术、超声技术【引、光纤技术、相 关技术、过程层析成像技术等。基于散射原理和射线吸收的仪表是多相流组分的 重要测试手段，国外在此领域的技术已趋成熟，已形成了商品化的工业仪表；激 光多普勒技术由于具有非接触方式、空间分辨率高、测速范围宽、动态响应快和 方向性好等特点，得到了很大的发展，特别是相位多普勒技术不仅能测量气泡相 的速度，还能得到流量信息和尺寸分布，应用更为广泛。由于过程层析成像技术 具有能得到两相流动态图像的优点，在过去的十多年中得到迅速发展。随着计算 机技术的发展，应用过程层析成像技术【9 1 ，非接触地、实时地获得两相流的二维或 三维信息是重要的发展趋势。 三是在成熟的硬件基础上，以计算机技术为支撑平台，应用基于软测量技术 的测量方法。把现代信息处理方法如过程参数辨识，状态估计，人工神经网络1 4 j ， 模式识别等引入到气液两相流实验技术和参数测试领域，通过这些方法解决具有 随机性、复杂性、且很难用数学模型精确描述的两相流实验技术中所涉及的参数 测量问题。 1 2 4 数值模拟方法概述 近几年来，随着计算机技术的高速发展，数值模拟逐渐成为了科学研究和工 程应用中解决复杂问题的一种重要手段，其主要思想是将实际问题转换为数学模 型，使用计算机对其重新构造和求解问题，再根据研究方向的需求客观地揭示现 6 浙江工业大学硕士学位论文 象规律。 数值模拟为科学研究提供了一个变通工具，可代替在实验室或在实地进行昂 贵、费时甚至危险的实验。对于不能通过直接计算、观察或者需要通过其它方法 获得的比较具体而完整的信息时，数值模拟手段比传统的实验方法更为实用。 以计算机为工具的数值模拟在为理论提供依据、加深对实验结果的理解和解 释甚至发现新现象等方面扮演了一个非常有价值的角色。同时还可以作为实验模 型和理论预测之间的桥梁。 计算流体力学( c f d ) 是数值模拟的一个分支，基本思想可以归结为：把原 来在时间域与空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个 离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点 上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值1 0 1 2 】。 这种现代的数值方法借助不断发展的计算机技术，从初始问题的所有细节上 开始，不需要对求解的问题作太多的假设，这一点优于在假设和近似基础上进行 理论构造的方法。 现在，在流体力学的研究中，c f d 技术已经和实验方法、理论方法一起，成 为了第三种主要手段【13 1 。c f d 技术在流量计研究中的应用非常普遍，已被成功地 用于涡轮流量计、超声流量计、浮子流量计、孔板流量计、文丘里管、涡街流量 计等的研究中。 1 3 螺旋管内的气液两相流动特性研究现状 螺旋管是一种典型的空间曲线管，因能自由膨胀，可以有效的消除工作工程 中的温度应力，又大幅度减少了管子与管板的焊接，泄漏几率小，可靠性好，且 结构紧凑，传热效率高，具有自生的离心力场和二次流，而且能有效推迟传热恶 化的发生【1 4 1 ，因而在动力、化工、石油和核反应堆蒸汽发生器中广泛应用，世界 各国已把它作为快种子增殖堆、气冷堆内蒸汽发生器的主要形式 1 5 l 丌。 1 3 1螺旋管内气液两相流动特性研究历程 关于螺旋管内的气液两相流动特性的研究，国外从上世纪7 0 年代开始进行了 许多在螺旋管内的实验研究。1 9 7 1 年，a k a g a w a 对螺旋管内热水加热的工质进行 7 第l 章绪 论 了研究，实验证实：单管较并联容易发生流量漂移：1 9 7 7 年，n a r i a l 对螺旋管中 水的沸腾流动进行了研究，实验指出：螺旋管入口处节流系数较大时，其稳定效 果随之变得不明显，实验还的出了密度波脉动的两种主要频率；1 9 9 3 年v a t a n a b e 等人应用嵌入式电导探针对立式螺旋管内的气液两相流环状流液膜厚度进行了实 验研究，实验证实：螺旋管内外侧波类型有很大不同，且内外侧液膜厚度也不相 同，螺旋直径对界面波没有影响【1 8 】。 西安交通大学在很早就开始了对螺旋管的研究，郭烈锦、李广军、于立军【1 9 1 、 冯自平【2 0 3 1 1 等在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室对立式和卧式螺旋 管内气液两相流的二次回流、摩擦阻力、截面含气率、气泡运动规律、流型及其 转变规律、强制对流沸腾传热及干涸后传热特性、临界热负荷、管束间流动与传 热等方面进行了全面深入系统的研究，拥有比较全面的关于螺旋管内两相流流动 及传热特性的研究成果，这在国际上处于领先地位。 1 3 2 螺旋管内气液两相流动流型研究现状 立式螺旋管内向下流动的气液两相流动流型大致和水平直管内的流型相似， 但也有差别。改变空气和水的流量可以观察到分层流、波状流、柱塞状流、块状 流、分散泡沫状流和环状流等流型。 实验表明，随着空气流量和水流量的变化，流型在不断地发生变化。不同的 流型使得空气和水之间相互作用的方式不同，其作用力的大小也不同，因此在不 同的流型下，其流动阻力也各不相同。同时也表明，在同一流动情况下，沿着螺 旋管不同长度处的流型也不同，这是由于流动参数随长度变化而变化所造成的。 目前，仍有研究人员从事传统气液两相流流行识别方法的研究工作。对气液 两相流流行识别的工作趋向于智能识别【3 2 4 0 1 。 1 3 3 螺旋管内气液两相流摩擦阻力特性研究现状 虽然在两相流动中，对压力降研究得最早、最广泛，也较成熟，但管内气液 两相流动时摩擦阻力的计算问题尚未得到满意的解决，螺旋管内两相摩擦阻力问 题更是如此。 1 9 4 4 1 9 4 9 年，l o c k h a r t 和m a t i n e l l i 在水平玻璃管内进行低压空气与不同液体 介质的混合物流动摩擦压降实验研究，以层流和紊流组合为基础，最先提出了 8 浙江工业大学硕士学位论文 m a t i n e l l i 参数和基于分相模型的气液两相流摩擦压降的计算方法；之后c h i s h o l m 进一步提出了简单又精确的l o c k h a r t m a t i n e l l i ( l m ) 实验拟合式；m a r t i n e l l i n e l s o n 对蒸汽一水混合物压降进行研究，考虑压力效应，两相均匀混合，忽略表面张力， 得出适用于高压的m a r t i n e l l i - n e l s o n ( m - n ) 关系式；后来又出现植田辰洋经验式、 t h o r n 方法等。 影响管内气液两相流体摩擦阻力压力降的主要因素有：管子的几何尺寸、压 力、干度、热流密度、质量流速、流动方向和管壁粗糙度等。在各种各样的研究 成果中，一般都考虑了压力及干度的影响，有的考虑了质量流速和管径的影响， 但极少数考虑了热流密度的影响，至于流动方向和管壁粗糙度则基本没有考虑。 已有的两相流动摩擦阻力计算方法一般只限于各自实验所用的实验仪器中， 在各自所限的实验范围内，现在还没有能适用于大范围流量的关联式。 1 3 4 螺旋管内两相流研究趋势 一 对于螺旋管内气液两相流的研究，未来研究的内容仍应包括基础理论、实验 模拟和数值模拟三个方面，当前的发展趋势大致是： 在两相流基础理论研究方面，趋向于利用数学模型进行工况模拟，再以较少 的实验结果去验证和修正，使之部分地代替实验研究，并取得更广泛的研究效果。 在气液两相流实验方面，需深入研究气泡运动、喷雾和液滴运动、两相流声 波及激波的传输：研究两相流湍流、相界面传输、多组份两相流、微重力场两相 流；研究两相流不稳定性、瞬态条件两相流；研究受热沸腾临界热负荷、干涸后 传热、传热恶化、瞬态传热等；以及研究多孔介质两相流及沸腾传热、射流冲击 传热、相分离机理等。 在数学模型与数值计算方面，建立多相流理论模型、基本控制方程与闭合条 件、离散化方法及离散化方程求解、计算程序等；建立多相流诊断技术及专家系 统。在机理性研究的基础上，发展包括影响因素比较全面、预测结果比较准确的 大型成套两相流与传热应用软件，为工程设计和自动控制等提供依据。加强基础 理论与工程应用相结合的研究，也是目前多相流动研究的一个重要方面。 9 第1 章绪论 1 4 研究目的 目前，螺旋管因其结构特性，传热效率高，具有自生的离心力场和二次流的 特点，已被广泛应用于换热器中。螺旋管换热器的结构形式很多，常见的螺旋管 换热器是将许多传热管卷成同心螺旋状，固定在盖板和壳体底板之间，各个传热 管的两端分别与一根进口总管和一根出口总管连接而成。这样，在各不同半径的 螺旋管之间形成了螺旋形的壳侧流道，管侧流体和壳侧流体可以形成完全逆流， 再加上壳侧流体呈螺旋流动，从而增强了换热效果。 虽然此类换热器已较为广泛的使用，但直到现在关于其压力降的研究仍然不 很成熟，对影响管内气液两相流阻力降的因素研究仍然不完善，对其规律性掌握 仍然不够，尚需作进一步的研究。 为了了解某种螺旋管换热器的工作状态，了解其摩擦阻力情况，有必要对这 一结构的螺旋管进行实验及数值模拟研究，以了解影响其摩擦阻力的因素。 1 5 研究内容及思路 1 5 1 研究内容 本课题以某种石化行业立式螺旋管换热器的工况为基础，对立式螺旋管管内 气液两相流的摩擦阻力压力降的进行研究，分析影响摩擦阻力压力降的主要因素。 在现有的实验条件下，很难实现对换热器内的实际工况进行测量，只能以水 和空气代替换热器内的实际工质进行常温下的实验研究，再用数值模拟方法对螺 旋管内气液两相流摩擦阻力压力降进行模拟研究。 1 5 2 研究思路步骤 研究总体思路： 1 用实验方法对螺旋管内的气液两相摩擦阻力进行研究，分析其在常温下的 主要影响因素； 2 寻找一个能正确模拟本螺旋管内气液两相流情况的模型，对此结构螺旋管 进行数值模拟实验，分析热交换对螺旋管内的气液两相摩擦阻力的影响。 具体的实施步骤如下： 1 实验阶段 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 进行空气单相流动( 空气流量：5 m 3 h - 1 8 m 3 1 1 ) 和空气水两相流动( 空气流 量：1 0 0 m 3 h , - 一2 5 0m 3 h ，水流量：1 2 0l h - - - 6 0 0l h ) 的实验，对实验结果进行 分析。 2 c f d 模型的建立 应用s o l i d w o r k s 对实验平台建模，应用g a m b i t 进行划分网格，最后应用f l u e n t 对实验情况进行计算机模拟。同时应用空气单相流动和空气水两相流动实验的数 据对模型参数进行校准，使计算模型与实验结果相符合。 3 考虑热交换c f d 模拟 根据上述的模拟模型，选择正确的两相流模型，调整好参数，加入热交换等 因素，对不同情况下的摩擦阻力进行研究。 1 6 创新点 现在对螺旋管内两相摩擦阻力问题的研究，基本还是以实验研究为主要手段， 但是限于实验设备，大部分实验还是以空气、水为研究工质，极少量实验用到沸 水或者水蒸气，而且实验都在常压常温的环境下进行。但是实际工程应用中的工 质远比实验中的复杂，而且多在高温高压的环境。因而在实验条件限制的情况下， 计算机模拟不可缺少。 现在在研究摩擦阻力压力降时，考虑的主要还是压力、干度等的影响，极少 有考虑到热交换对其的影响，尚不能掌握热交换对摩擦阻力压力降影响的规律性。 本文尝试用计算机模拟方法研究热交换等对螺旋管内气液两相流摩擦阻力压力降 的影响。 第2 章管内气液两相压力降研究 第2 章管内气液两相压力降研究 压力降计算是设计各种存在气液两相流动的工程设备的最基本和最重要的课 题之一。不管是自然循环还是强制循环的工业设备，只有正确地进行压力降计算 才能使设备具有安全而可靠的流动压头，才能为整个管路系统选用合宜的泵，或 为其它动力设备提供可靠的依据，使整个系统能既经济又安全地运转。本章对人 们在研究压力降时所提出的模型及计算方法进行论述。 2 1管内气液两相流的基本数理模型 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 种复杂的三维两相瞬态问题，完整的解析解目前还无法导出。在探索过程中，人 们已对气液两相流建立了均相流模型、分相流模型、漂移流模型和两流体模型等 物理模型。 2 1 1 均相流模型( h o m o g e n e o u sf l o wm o