（热能工程专业论文）气液两相流联箱中流量分配的理论和实验研究.pdf

t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o nf l o wd i s t r i b u t i o ni ng a s - l i q u i d t；h a s ef l o wm ai f o l d w o - p h a s e0a n c l i d i s s e r t a t i o ns u b mi t t e dt o n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y i n t h e r m a le n g i n e e r i n g b y p a n g l i p i n g s u p e r v i s e db y s u nb a o m i n s c h o o lo fe n e r g ya n dp o w e r e n g i n e e r i n g m a r c h2 0 1 0 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文气液两相流联箱流量分配的理论和实 验研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不 包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 签名： 口甘日夕f 口歹，f - 日期：丝! ! ! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期 分离现象，使联箱各个分支管不能保证两相均匀分配，会影响换热设备安全经济运 行，因此研究联箱内的两相流量分配问题具有重要的实用价值和理论意义。 搭建了空气水两相流分配实验台，针对径向引入单入口和双入口两相流联箱开 展了实验研究，主要进行了入口流型为分层流、波状流和气弹状流下联箱内并联分 支管的两相流量分配研究。实验研究发现入口于度在o 0 0 6 0 2 4 4 、质量流速在 5 6 5 7 0 k g m 2 s 范围内时，径向引入联箱分支管中的两相流量分配极不均匀。 为了定量分析联箱分支管内的两相流动分配规律，提出了径向引入多并联分支 管联箱中的两相流量分配计算方法。应用分流和分支t 型三通管相分离计算模型， 计算得出径向引入单入口和双入口联箱并联分支管流量分配结果，计算结果和实验 结果相符良好。 应用计算流体力学( c f d ) 中自由表面模型，分析联箱内部两相流量分配规律 和两相流动变化过程，数值模拟结果和高速摄影结果均显示径向入口联箱内部会出 现明显的气液分层现象，形成一个波动的气水昴面，影响了各分支管相分配的均匀 程度。 首次提出加装笛形管均流器能够改善径向引入联箱并联分支管流量分配，提高 气液两相分配均匀程度。数值模拟发现笛形管均流分配器能够有效解决普通联箱内 部两相分层波动造成的流量分配不均问题。首先进行了径向单引入联箱的两相流量 分配的实验研究，实验结果发现加装笛形管均流器后联箱分支管的流量分配接近单 相分配；其次实验比较了三种不同结构笛形管均流器的优缺点，结果证明三种笛形 管均流分配器均能不同程度地改善联箱分支管两相流量分配；然后针对径向双入口 联箱进行了实验研究，实验结果发现加装笛形管均流器不仅能够获得满意的两相流 量分配，而且能够在一定程度上解决双入口不对称引入引起的两相流量分配不均问 题；最后高速摄影发现加装笛形管均流器后与联箱形成的环形空腔内能够形成块状 流动，有效改善气液分层现象，使两相流量分配均匀。 试验研究了某电站锅炉水平侧包墙变形问题，现场试验测量获得了包墙区域的 温度分布，分析得出包墙下联箱流量分配不佳是造成水平侧包墙变形的原因，并提 出了解决办法。 关键词：联箱分支管两相流流量分配笛形管均流器 r a d i a l s t e a m p h a s e s e p a r a t i o nd u r i n gt w o p h a s ef l o wd i s t r i b u t i o ni nt h em a n i f o l d e v e np h a s ed i s t r i b u t i o n c a n th a p p e nd u r i n go p e r a t i o na tp a r a l l e lc h a n n e l so fam a n i f o l d t h ed e t e r i o r a t i o no ft h e p e r f o r m a n c ea n ds a f e t yf o rh e a te x c h a n g e ra p p e a r s t h e r ei sp r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e sf o rt h es t u d yo ft w o p h a s ef l o wd i s t r i b u t i o ni nam a n i f o l d a na i r - w a t e rt w o p h a s ee x p e r i m e n t a ll o o pi s d e s i g n e da n di n s t a l l e df o rt h e t w o p h a s ef l o wp a r a l l e lc h a n n e ld i s t r i b u t i o ni nt h em a n i f o l d t h ee x p e r i m e n t sa r e p e r f o r m e do nm a n i f o l d su n d e rs i n g l ea n d t w or a d i a li n l e t s t h ei n l e tf l o wp a t t e r n b e l o n g st os t r a t i f y w a v ya n ds l u g t h e r ei ss e v e r eu n e v e nt w o p h a s ef l o wd i s t r i b u t i o n a n dt h ea i ra n dw a t e rf l o wr a t i o sk e e pa t0 5 - 1 8a n d0 2 5 - 2 0u n d e rt h ei n l e tm a s s q u a l i t y ，0 0 0 6 - 0 2 4a n dm a s sf l o wf l u x ，5 6 5 7 0 k g m z s t h ea i ra n dw a t e rf l o wr a t i o s d i s t r i b u t i o nh a v et h ec o n v e r s et r e n d i no r d e rt oa n a l y z et h et w o p h a s ef l o wd i s t r i b u t i o no fp a r a l l e lc h a n n e l so f m a n i f o l d w i t ho n ea n dt w or a d i c a li n l e t s ac a l c u l a t i n gm e t h o di sp r e s e n t t h em e t h o di sb a s e do n t w ot - j u n c t i o np h a s es e p a r a t i n gm o d e l s w h o s eo ft h eo n ei su s e df o rah o r i z o n t a l i m p a c t i n gt - j u n c t i o na n dt h eo t h e r si su s e df o rav e r t i c a ld i v i d i n gt - i u n c t i o nw i t ha h o r i z o n t a li n l e ta n dau p w a r do u t l e ta n dah o r i z o n t a lo u t l e t t h ec a l c u l a t i n gm e t h o di s a p p l i e dt oc a l c u l a t er e s p e c t i v e l yt h ef l o wd i s t r i b u t i o no ft w oe x p e r i m e n t a lt e s ts e c t i o n s w i t has i n g l ea n dt w or a d i a li n l e t s t h ec a l c u l a t i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a t c hw e l l t h ef r e es u r f a c em o d e li sa p p l i e dt oa n a l y z et h et w o p h a s ef l o wi n s i d eam a n i f o l d u s i n gc o m p u t a t i o n a lf l o wd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r e t h es i m u l a t i n gr e s u l ti sc o m p a r e d w i t ht h a tf r o mah i g h s p e e dc a m e r a t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf i n d st h a tt h e r ei ss e v e r e r e c i r c u l a t i o ni nt h ee n do fm a n i f o l da n dt h er e c i r c u l a t i o nw i l lc h a n g eu n d e rd i f i e r e n t i n l e tc o n d i t i o n sa n di tw i l lh a v ee f f e c t so nt h et w o p h a s ef l o wd i s t r i b u t i o no fp a r a l l e l c h a n n e l s b a s e do nt h ep h e n o m e n a n e wg e o m e t r i c a lt e s ts e c t i o no fm a n i f o l dw i t hf l u t e i sp r e s e n tt oo v e r c o m et h ei n f l u e n c ef r o mt h ew a v yi n t e r f a c eb e t w e e na i ra n dw a t e r i n s i d em a n i f o i d t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h en e wg e o m e t r yc a nm a k ea ne v e n t w o p h a s ed i s t r i b u t i o no fp a r a l l e lc h a n n e l si n s i d em a n i f o l d t h ee x p e r i m e n t so n as i n g l ea n dt w or a d i c a li n l e t sw i t haf u t ed i s t r i b u t o ra r e p e r f o r m e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r ea l m o s te v e n l yd i s t r i b u t e da i r a n dw a t e rf l o wr a t i o sa m o n gt h ep a r a l l e lc h a n n e l sc o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r ym a n i f o l d s t h ea i ra n dw a t e rf l o wr a t i o sa r ea m o n g0 7a n d1 3i nv a r i e di n l e tc o n d i t i o n s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r en e a rt ot h es i n g l e p h a s ef l o wd i s t r i b u t i o n ap r a c t i c a la p p l i c a t i o ni s p r e s e n tt oa n a l y s i sat w o r a d i a l i n l e tm a n i f o l d t h e e x p e r i m e n ti sp e r f o r m e do nt h ep e n d a n tw a l ls u p e r h e a t e ri nt w ou t i l i t yb o i l e r s t h e d e f o r m a t i o ni n p e n d a n t w a l l s u p e r h e a t e rh a p p e n e db e c a u s e o ft h e u n e v e nf l o w d i s t r i b u t i o na tt h ed o w n w a r dm a n i f o l d si np e n d a n tw a l ls u p e r h e a t e r k e yw o r d s ：m a n i f o l d ；p a r a l l e lc h a n n e l s ；t w o - p h a s ef l o w ；f l o wd i s t r i b u t i o n ；f l u t e i i 华北电力人学博士学位论文 主要符号表 英文字母 面积，m 2 计算常数 质量流速，k # ( m 2 s ) 纵向入口 折算速度，m s 阻力系数 左侧三通 压降，p a 代表分支管水流量与入【j 水量之比 气液密度比 右侧三通 滑动比 速度，r r d s 质量流量，k g s 干度 分支管质量流量，k e ； s 标准偏差 干度偏差系数 工质流量，n m 3 h 直径，m 分流系数 气液动量比 分支管压差计算常数 湍流 湍流 气相和液相速度，r r d s 流体压力，p a 相间拽曳力 湍流耗散力 重力加速度 i i i 么 c g ，k 三凹袍 r 尺s y w ， m 册x 9 d y 脚 r 后 u尸瞰f g p 西 盯 仅 | b c d l f r 丁 i 密度，k g m 3 分支管分配份额 表面张力 上、下标 分支管位置 分支管位置，从左往右计数 气相和液相混合属性 分别代表液相和气相 相状态，包括液相和气相 左侧入口 三通管入口和出u ，l 为主管入l j 、2 和3 为出口，其中定义为三通分支管出口 湍流粘度系数 气相 液相 相间拽力引起的动量传输 左侧出口 右侧出口 中间入口 i v ，办p s 糯 ，办纵p s 2 华北电力大学博士学位论文日录 目录 中文摘要 英文摘要 主要符号表 第一章引言一1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 联箱并联分支管中单相流体的流量分配2 1 2 2 两相流在t 型管内流量分配的研究一3 1 2 3 气液两相流联箱中的实验和理论研究一6 1 2 4 气液两相流联箱中几何结构对两相分配的影响研究l o 1 2 5 气液两相流联箱中的数值模拟一l l 1 3 论文研究内容1 3 第二章实验装置和实验测量方法1 4 2 1 实验台回路系统1 4 2 1 1 空气系统1 4 2 1 2 水路系统15 2 1 3 混合器l6 2 1 4 测量分离器和主分离器1 6 2 2 实验段1 6 2 2 1 径向单入口引入联箱实验段17 2 2 2 径向双入口引入联箱实验段2 0 2 3 两相分配测量回路2 0 2 4 实验测量设备21 2 4 1l z b 型玻璃转子流量计2 1 2 4 2 压力和压差测量计：2 2 2 4 3 涡轮流量计和质量流量计2 2 2 4 4 温度计2 4 2 5 数据采集系统2 4 2 6 实验方法、步骤及注意事项2 6 2 6 1 实验参数范围2 6 2 6 2 实验方法和步骤2 6 2 6 3 实验注意事项2 7 2 7 数据处理2 8 2 8 实验系统不确定性分析2 8 2 8 1 实验段入口的空气和水质量测量的不确定性3 0 2 8 2 实验段出口的空气和水质量测量的不确定性3 0 2 8 3 实验段入口和分支管出口质量平衡的不确定性3 0 华北电力大学博士学位论文h 录 2 9 本章小结3 1 第三章径向引入联箱并联分支管的两相流流量分配实验一3 2 3 1 径向单入口联箱的单相和两相流量分配3 2 3 1 1 单入口联箱中单相流量分配3 2 3 1 2 单入口联箱中两相流量分配3 3 3 1 2 1 固定入口水相折算速度实验3 3 3 1 2 2 固定入口气相质量流量实验3 5 3 1 2 3 水相和气相流比和标准偏差分布3 6 3 2 径向双入口联箱的单相和两相流量分配3 6 3 2 1 径向双入口并联分支管的单相流量分配3 6 3 2 2 径向双入口对称引入时联箱并联分支管的两相流量分配3 7 3 2 2 1 固定入口水相折算速度的两相流分配3 8 3 2 2 2 固定入口气相质量流量的两相流分配4 0 3 2 2 3 径向双引入水相和气相流比和标准偏差分布4 3 3 2 3 径向双入口相互影响对两相流量分配的影响4 4 3 2 3 1 径向双入口对称引入4 4 3 2 3 2 径向双入【j 气相对称、水相不对称引入4 8 3 2 3 3 径向双入口水相对称、气相不对称引入4 9 3 3 本章小结4 9 第四章气液两相流联箱流量分配理论5 l 4 1 气液两相流联箱并联分支管流量分配基础理论5 1 4 2 气液两相流联箱流量分配计算方法5 3 4 2 1 第一类三通计算模型5 4 4 2 2 第二类三通的计算模型5 5 4 2 3 参数的计算方法5 6 4 3 气液两相流联箱流量分配计算结果和分析5 8 4 3 1 径向引入单入口预测数据5 8 4 3 2 径向双入口联箱的预测数据5 9 4 4 本章小结6 l 第五章联箱气液两相流的数值模拟和可视化研究6 2 5 1 联箱两相流数值模拟软件的选择和应用6 2 5 1 1 数值模拟软件的选择6 3 5 1 2 联箱内两相流动模型的选择6 4 5 1 2 1 两相流湍流模型6 5 5 1 2 2 多相流浮力模型6 6 5 1 2 3 相间动量传输模型6 6 5 1 3 计算对象网格划分情况6 7 5 2 联箱分支管内两相流高速摄影系统6 7 5 3 联箱两相流模拟和高速摄影结果比较和分析6 8 5 3 1 工况l 数值模拟和高速摄影6 8 5 3 2 工况2 数值模拟和高速摄影7 l i l 华北电力大学博士学位论文目录 5 3 3 工况3 数值模拟和高速摄影7 3 5 4 加装笛形管分配器联箱的数值模拟结果7 5 5 4 1 工况l 下mi 2 数值模拟结果7 5 5 4 2 工况2 下m 1 2 数值模拟结果7 7 5 5 本章结论7 9 第六章加装笛形管均流器的径向引入并联分支管两相流量分配的实验 ；( ) 6 1 加装笛形管均流器后径向单入口联箱两相流量分配8 0 6 2 加装笛形管均流器单入口联箱压降变化比较8 6 6 3 加装笛形管均流器后双入口联箱两相流量分配比较8 8 6 3 1 对称引入情况下的实验结果8 8 6 3 1 1 入口水量一定，气量增加时两相流量分配8 8 6 3 1 2 入口气量一定，水量量增加时两相流量分配9 l 6 3 1 3 对称引入时，气相和水相流比和标准偏差分布9 3 6 3 2 双入口联箱两相流在非对称引入情况下的实验结果9 4 6 3 2 1 加装笛形管均流器水相对称、气相不对称引入9 4 6 3 2 2 加装笛形管均流器气相对称、水相不对称引入9 5 6 4 加装笛形管均流器后联箱两相流体分配均匀性改善的原因9 6 6 5 本章结论9 7 第七章工程实例分析9 8 7 1 工程背景9 8 7 2 水平侧包墙区域流量分配的理论分析和计算结果1 0 0 7 2 1 基本理论及计算方法一1 0 1 7 2 2 计算结果分析一1 0 2 7 3 试验方案1 0 3 7 4 试验结果分析1 0 4 7 4 1 水平侧包墙变形的原因分析一1 0 6 7 4 2 疏水阀门关闭与运行负荷的关系1 0 7 7 5 本章小结一1 0 8 第八章结论和展望1 0 9 参考文献1 1l 致谢1 l8 攻读博士学位期间发表的学术论文1 1 9 专乖i j 12 0 攻读博士学位期间参加的科研工作1 2 1 i l l 华北电力大学博士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 动力、化工、石化、原子能、航天和环境等工程领域的大型换热设备中广 泛存在着两相流的流动问题。在火电厂、核电站和化工设备的各类联箱、换热 器和反应器等两相换热设备中，气液混合物通过轴向或径向引入管进入换热设 备，将两相流体分配到各并联分支管，流量分配的均匀性直接关系到换热设备 的安全经济运行。研究两相流体的流量分配以及如何将两相流体均匀分配，对 于确保这类设备的安全、可靠和经济运行具有重要意义。 气液两相流联箱分支管的均匀分配很大程度上影响着换热设备安全有效 工作，分支管分配不均匀会造成热负荷分布不均、换热设备工作效率下降、分 支管路超温，导致换热设备工作性能恶化【l l 。运行中由于两相流体分布不均匀 会造成某些受热面过热，而另外的受热面却得不到足够的热量，导致相邻受热 面之间出现温差，产生热应力破坏。设计过程巾为了避免流量分配不均匀带来 的安全隐患，必须布置更多的受热面进行换热，由此设备尺寸会增加、换热效 率会降低。化学反应器由于分配不均匀会影响反应器正常工作状态，造成反应 物的反应特性发生改变。对于采用制冷剂的空调系统和低温装置的换热器，由 于目前大多采用相变换热器提高换热效率，会随之产生换热器内并联分支管两 相流流量分配问题。由此可见，研究换热设备的两相流流量均匀分配非常重要。 由于联箱中存在两相分离现象，蒸汽和水不能均匀分配到平行的并联分支 管中，两相流的流量和压降不符合单相流动的规律，需要进行实验确定并联分 支管的流量分配，分析影响联箱中并联分支管流量分配的各种因素。许多因素 可以影响并联分支管巾两相流的分布，主要有几何因素和运行因素。几何因素 包括联箱的设计、并联分支管数目、分支管位置和引出方向( 例如垂直向上或 垂直向下等方式) 等；运行因素是指联箱的质量流量、流型和联箱入口的质量 含汽率，以及分支管的热负荷等【2 巧j 。由于两相流分配的复杂性，需结合具体 对象进行相关的实验和理论研究。 超( 超) 临界电站锅炉中间联箱在变负荷过程巾，由于受热改变会造成进 入中间联箱的汽液两相流干度发生改变，产生并联水冷壁管中流量的分配不均 问题，造成相邻管路中流量偏差过大，进而影响水冷壁的安全工作。因此研究 超( 超) 临界锅炉中间联箱两相流流量均匀分配，对超( 超) 临界电站锅炉受 热面安全工作具有重要的实用价值和理论意义。 第一章引言 1 2 国内外研究现状 回顾有关联箱中并联分支管流量分配问题方面的研究，可以分成以下五个 部分的研究内容，最早开展的第一部分是针对单相流体联箱中流量分配进行研 究；第二部分是针对组成联箱的t 型分支管的两相流相分离的研究；第三部分 是针对两相流并联分支管联箱的实验和理论研究；第四部分是针对联箱内两相 流流动，采用改变几何结构方法，改善两相流流量分配的实验研究；第五部分 是应用c f d 技术和可视化技术分析两相流体联箱中分支管流量分配的相分布 和速度场分布的研究。分析这五部分内容，有助于了解本文研究内容的脉络关 系。 1 2 i 联箱并联分支管中单相流体的流量分配 2 0 世纪初人们开始了轴向引入和引出的并联管中单相介质在联箱中流动 分配特性的研究。2 0 世纪4 0 年代开始人们对并联分支管中流量分配问题进行 了大量的理论和实验研究，提出了许多半理论半经验的数学模型。 a a c r i v o s 6 1 l9 5 9 年针对单相流体建立了一维流体方程，分析了联箱分支 管中的流量分配。研究认为，联箱内部压力变化是由壁面摩擦和流体动量的改 变引起，因此，在汇流和分配联箱中，沿流动方向分支管的压力会上升或下降。 论文基于一维流体方程对并联分支管进行了理论计算，预测结果和实验结果大 致吻合。 b a j u r a 7 】19 7 1 年进行了开创性的工作，针对联箱中的单相流动，提出了 b a j u r a 第一模型，从流体力学理论的角度给出了单相流动联箱内压降的分析方 法，至今人们还在广泛采用：1 9 7 6 年b a j u r a 又对并联分支管联箱内的压力和 流量分配作了更进一步的研究，提出了修正后的计算模型【8 】。b a j u r a 论文开创 性地引入静压恢复系数对分支管局部的阻力进行修正，并且该计算模型对联箱 中由于流体速度变化造成摩阻系数变化的因素也考虑了进去，给出了单相流体 在带分支管联箱内的压降计算方法。 p i g f o r d t 9 1l9 8 3 年分析了z 型和u 型连接方式下联箱出入口压力分布和流 量分配问题，将计算模型和实验结果进行了比较。研究发现，流量沿联箱并联 分支管的均匀性由汇流或分流联箱引起的流体压力变化、流体摩擦、流体损失 和出口及入1 3 流体动量决定。b a s s i o u n y l l 0 , 1 1 】进行了类似的工作，分析了单相 流动下，u 型连接和z 型连接联箱系统流体压降的计算方法，并计算了流体的 分布情况。 袁益超【1 2 j l9 9 5 年对我国电站锅炉水动力计算标准中有关单相并联分支管 流量分配的计算方法进行了回顾，讨论了电站锅炉轴向引入和引出流量分配的 2 华北电力大学博士学位论文 计算方法，比较了我国、前苏联和美国计算标准中对各种阻力系数的不同处理 方法，指出联箱内部静压计算的不同处理方法是计算问题的关键。 陆方f 13 1 和罗永浩【1 4 ，1 5 】等人在l9 9 5 19 9 8 年期间，对单相流体在联箱并联分 支管中的流动特性做了很多工作，在联箱静压分布计算方面改进了连续型数学 模型，提出了离散型数学模型，根据联箱中有无支管的不同结构特征，分别列 出相应的动量方程式。给出的离散模型与前人提出的模型相比，能更准确地预 测并联管组中的流动特性。 朱玉琴【i6 】回顾了单相流体在联箱流量分配的研究情况，归纳了联箱内并联 分支管流量分配的理论基础及计算方法，讨论了单相联箱流量分配计算中动量 交换系数和摩擦系数的确定方法和影响因素。 缪正清( 1 7 】从理论出发，推导给出了轴向引入引出的并联管组系统单相流体 流动的流量分配计算特性解的统一表达式，但是表达式相当复杂，涉及一些超 越函数，实际应用中需要进行简化才能得出实用的分析结果。与以上工作类似， 王峻哗【1 引、赵镇南19 1 、王恩禄【2 0 , 2 1 】和匡江红【2 2 1 也从不同方面进行了单相流体流量 分配研究，获得了满意的结果。 这些联箱分支管内的单相流量分配计算方法给两相流提供了基本思路，即 根据质量、动量和能量平衡方程求解，对某些涉及因素比较复杂的问题，可以 采用经验和半经验方程帮助求解，但是考虑到两相流动领域中的复杂性，解决 两相流联箱内的两相流量分配问题需要分析组成两相流内基本单元t 型三通 管的流量分配问题，这是分析联箱内两相分配的关键。 1 2 2 两相流在t 型管内流量分配的研究 联箱可以认为是由一系列并联或串联连接的t 型管构成，研究联箱中两相 流问题首先要研究最基本单元一一t 型三通管的相分离问题。t 型管相分离实 验结果和理论预测结果可用于两相流联箱的流量分配预测。 对于t 型管内部两相流分离现象的定量分析开始于2 0 世纪6 0 年代，其中 比较有代表性的研究人员有s e e g e r 和r e i m a n n 23 1 ，其研究成果已得到认可并 广泛应用。他们对水平、垂直向上和向下的各种布置位置的t 型三通的两相分 离和压差进行了实验，提出了各种情况下三通压降的理论分析方法，该模型基 于质量比( 三通出口质量流量与入口质量流量之比) 和入口流体的性能得出相 分布，论文比较了模型计算和实验测量结果，给出了计算的有效区域。论文研 究发现增加入口两相动量会降低相分离的程度，增加气相折算速度和系统的压 力都可以达到减轻两相分离的效果。论文得出的结果和给出的模型得到广泛的 认可和应用。 第一章引言 f o u d a 2 4 】19 7 4 年对主管水平放置、支管垂直放置的t 型管中两相流体的环 状流动进行了研究。实验研究了挡板和孔板对下游干度的影响，测量了流动方 向上的压力变化，使用分相和均相模型进行了比较计算，讨论了减小t 型管相 分离的方法。 c o l l i e r 2 5 j 1 9 7 6 年研究了入口直径3 8 7 r a m ，分支管直径分别为2 5 4 r a m 和 12 7 r a m 水平三通的相分离现象和压降。研究发现入口干度以0 17 为临界值， 当入口干度大于该值时，气体随着干度的降低容易从分支管流出，当入口干度 小于该值时，气体随着干度的降低反而不容易从分支管流出。这个现象说明t 型三通的流量分配与入口两相流动的流型有密切关系。 h o n g 2 6 l l9 7 8 年研究了各种三通管两相流的相分离现象，包括分支管水平、 垂直向上和垂直向下分支三通，以及水平中间进入、两侧流出的分流三通。研 究的三通管内径均为9 5 3 r a m ，研究入口流型为波状和环状流。研究发现，当 入口气相速度一定，入口液相速度增加，分支管液相分配均匀性降低。分支管 的方向对相分离影响较大，垂直向上分支三通接近均相分配，垂直向下分支三 通由于更多的液体进入分支管偏离均相分配，水平中间进入、两侧流出分流三 通在干度0 1 5 0 8 5 之间均相分离。 h e n r y 2 7 】19 8 0 年研究了入口管道直径为l0 0 m m ，分支管直径为2 0 m m 的水 平三通管在分层流、环状流和分散流下的相分离现象。研究发现分支管液相质 量流量是分支管气相质量流量的线性函数，随分支管质量流速增加，分支管的 干度会接近入口干度；随着三通入口质量流速的增加，分支管相分离从空气容 易进入分支管变为气相和液相趋于均匀分配。论文基于环状流开发了实验模 型，预测分支管的干度。该模型预测结果中9 0 数据在2 0 误差范围内，预 测结果和c o l l i e r 2 5 】的数据吻合较好，但是分层波状流的数据预测结果和实验 数据相比误差很大。论文认为三通管的相分布很大程度上取决于流型。 h o n a n 2 8 1 和l a h e y 2 9 1 分别于1 9 8 1 年和1 9 8 6 年分析了t 型和y 型三通管 的相分离现象，分析得出相分离主要和入口干度、质量流速和分离角度有关。 实验研究了以上因素对t 型和y 型三通管的两相流量分配影响问题。 n s a b a 和r t l a h e yj r 3 0 1 19 8 4 年研究了水和空气两相流流过水平t 型 管时的气液两相分配情况。实验入口条件保持为分层流、波状流和弹状流，根 据理论和实验分析，建立了计算分支管中两相分布和压力分布的数学模型，预 测分支管的干度、流量和三通入口和出口压降。 a z z o p a r d i 3 1 - 3 3 1 及其研究小组从1 9 8 2 年开始，一直持续进行与t 型管相关 的相分离研究。针对一系列水平和垂直布置、入口直径为31 8 m m 、分支管直 径为6 3 5 、1 2 7 、1 9 m m ( 垂直布置) 和1 2 7 m m ( 水平布置) 、直径比( 分支管 直径与入口直径比) 为0 2 0 8 之间的t 型三通管开展了实验研究。研究认为， 4 华北电力大学博士学位论文 t 型三通的流动特性主要取决于三通管上游的流型，流型为环状流时液相容易 流入分支管，而流型为泡状流时，观察到的现象刚好相反。研究也建立了可供 预测相分离的数学模型，模型对入口流型有相应要求。 b j a z z o p a r d i 3 4 j 针对垂直放置和水平放置两种情况系统研究了t 型三通 的相分离规律。论文提出了相分离的计算方法。实验研究发现，气液两相混合 物在t 型管内的流动特性主要受入口处两相流流型的影响。当入口为环状流和 气塞状流时，液相更容易进入分支管；当流型为泡状流时，气体更容易进入分 支管。环状流进入分支管的液体中主要来自液膜，而不是主流中的液滴。总的 液膜巾进入分支管的与进入分支管气相流量呈线性关系。论文建立的模型的数 据主要来自环状流，因此提出的模型只能应用于环状流。 s h o h a m 3 5 1 在实验和理论上研究了等径水平t 型三通的相分离，该论文使 用分支流线的概念分析t 型管的相分离，主要预测了分层和环状流下相分离现 象。模型预测结果和实验结果进行了比较，计算结果的相符性较好。 h w a n 9 1 3 6 j 研究了通过等径三通的相分离现象，对分支管角度为4 5 0 c 的y 型、t 型管和13 5 0 cy 型管的相分离进行了研究。建立了应用于t 型和y 型三 通管道相分离预测数学模型，实验结果和预测模型相符良好。 w a i t e r s l 37 j 1 9 9 8 年针对两个水平布置具有不同分支管直径的三通进行了实 验研究和计算分析。实验的流型为分层流、波状流和环状流三种，论文将实验 结果和当时使用的压降和相分离计算模型进行了比较，给出各种模型的应用范 围。 h a s s a n 3 8 - 4 0 1 研究了保证相同压降情况下，联箱内两个分支管在分层流动下 的流量分配情况。应用已有数学模型预测分支管气液两相质量流量和干度，实 验结果和模型预测结果很相符。 y c h a r r o n 和p b w h a l l e y 4 l 】对垂直布置具有水平出口的t 型三通管的环 状流流体分离问题机理问题进行了研究。测量了单相流体下垂直出口的特性， 以及t 型入口分离流线边界形状。在两相流下，使用高速摄影拍摄棉线运动情 况分析了环状流流动在不同入口条件下，液体分离和夹带的动态过程，对理解 两相流相分离的机理有重要意义。 t i m m e r m a n 42 】回顾和分析了水平t 型三通的相分布预测的各种方法，并 比较了这些方法在预测分层流下水平t 型三通的相分布的差别，提出了一种相 分布的预测计算方法，与以往数据库进行了比较，讨论了各个预测方法的应用 范围，论文对于了解相分布预测计算方法具有指导作用。 e 1 s h o u b y l 4 3 , 4 4 1 2 0 0 5 年研究了水平布置的t 型管内两相流量分配和压力分 布情况，针对分层流、波状流和环状流进行了实验研究，使用理论方法和半经 验方法，给出了水平t 型三通在这3 种流型下两相流量分配的计算模型。 5 第一章引言 国内西安交通大学多相流国家实验室林宗虎 4 5 , 4 6 乘l 车得福f 4 7 】等，从1 9 8 5 年起在空气水实验台上对t 和y 型管进行了一系列实验和理论研究，研究内 容包括多种水平布置的t 型三通管和y 型三通管中的气液两相流体的分配均 匀性和阻力计算方法；他们还对主管水平布置支管向下的t 型和y 型三通， 以及主管垂直向下，支管变角度时的气液两相流体的分配均匀性和阻力进行了 实验研究，并给出了计算模型。 罗永浩、杨世铭和王孟浩 1 3 - 15 , 4 8 1 等人使用单相空气开展了t 型三通对联箱 并联分支管流量分配的研究工作。研究发现，t 型三通在进口附近存在涡流 区，会降低t 型三通分支管的流量分配，因此在实际运行中会使受热面流量减 少，容易造成再热器超温爆管。论文研究了t 型三通涡流区中的联箱内静压分 布，以及分支管入口阻力系数的变化规律，计算获得的静压分布结果和实际测 量结果相符良好。 综合以上研究结果发现，t 型三通流量分配对入1 ：3 的干