（纺织工程专业论文）喷水室两相流热湿交换研究.pdf

摘要 气液两相流现象在自然界和工业生产等领域中大量存在 喷水室中的气液质 量与能量交换是一种典型的气液两相流 本文主要从理论上研究喷水室中气液两 相流的热湿交换情况 利用热力学理论分析这一热交换现象 在分析两相流的现有研究成果的基础上 对喷水室及其相关参数进行了详细 的介绍 并对两相流双流体模型进行了数学分析 介绍了双流体模型的构造思路 和使用范围 为了简化研究过程 对两相流局部瞬时方程进行时均处理 推导出 平均方程 为了获得可解的方程组 对平均方程进行了雷诺分解和加权平均 相 间作用是两相流研究中一个非常重要的关键问题 迄今为止 两相流相间作用问 题仍未很好得到解决 对相间作用力的本构关系 目前采用模型化方法求解 对 两相流平均方程中的相间作用项 要利用模型化的方法处理 使方程封闭 对喷水室两相流进行理论分析 通过量级分析得出在喷水室气液两相流的气 液两相能量交换过程中 对气液两相能量交换影响最大的就是焓变化率和质量传 输引起的能量交换 即汽化潜热 经参数量级分析后 考虑到喷水室两相能量 交换特点时 重点分析喷水室中焓变化率和质量传输引起的能量交换两个参数 其它各项均可忽略不计 简化了分析过程 本文在移动坐标系下对顺流式水 空 气处理系统进行分析研究 推导出喷水室两相流的理论方程 利用分析解法和数 值解法计算了单个液滴在喷水室中运动的温度变化情况 用实验数据与理论结果进行分析比较 得出当喷水压力小于1 5 7 b a r 时 实 验结果与理论结果吻合的相对较好 误差小于6 但当喷水压力大于1 5 7 b a r 时 实验结果与理论结果则产生了较大的误差 为弥补这一误差 当喷水压力大 于1 5 7 b a r 时 对理论公式进行修正 经修正后 实验结果与理论结果吻合良好 关键词 喷水室 气液两相流 热湿交换 双流体模型 平均方程 a b s t r a c t g a s l i q u i df l o wi sav e r yi m p o r t a n tf l o wp h e n o m e n ai nh y d r a u l i ce n g n n e e r i n g t h eh e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g eo fg a sa n dl i q u i di nt h es p r a yc h a m b e ri sat y p i c a l g a s l i q u i df l o w t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h eq u a n t i t y o fh e a ta n dh u m i d i t y s e x c h a n g ew h i c hi sh a p p e n e di n t h es p r a yc h a m b e ri n t h e o r y a n a l y s et h i sh e a t e x c h a n g ep h e n o m e n ai nt h e r m o d y n a m i ct h e o r y b a s e do nt h ee x i s t e dr e s e a r c hr e s u l t so ft h eg a s l i q u i df l o w t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h es p r a yc h a m b e ra n di t si n t e r r e l a t e dp a r a m e t e r sd c t a i l e d l y a n a l y s et h et w o f l u i d m o d e la n di n t r o d u c ei t st e c t o n i ci d e aa n da p p l yr a n g e i no r d e rt op r e d i g e s tt h es t u d y i tg i v e st h et i m e a v e r a g e de q u a t i o na f t e rt h et i m e a v e r a g e dd i s p o s a lf o rt h et w o p h a s e f l o w sp a r t i a li n s t a n t a n e o u se q u a t i o n f o rg e t t i n gt h ee q u a t i o n sw h i c hc a nb es o l v e d i ta l s om a k e su s eo ft h er e y n o l d sf a c t o r i z a t i o na n dw e i g h t e da v e r a g ei nt h ea v e r a g e d e q u a t i o n i n t e r p h a s ef o r c ei sa ni m p o r t a n tp r o b l e m i nt h es t u d yo f t h e w 沪p h a s ef l o w s of a r t h ei n t e r p h a s ef o r c ep r o b l e mi ss t i l ln o ts o l v e dw e l l n o wm o d e l i n gm e t h o di s u s e dt os o l v et h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fi n t e r p h a s ef o r c e f o rt h ei n t e r f a c i a i m o m e n t u mt e r mi nt h et w 0 p h a s ef l o w sa v e r a g e de q u a t i o n m o d e l i n gm e t h o di s u s e dt om a k et h ee q u a t i o nc l o s e d t w o p h a s ef l o wi nt h es p r a yc h a m b e ri sa n a l y s e di nt h e o r y t h i sp a p e rg e t st h e c o n c l u s i o nt h a tt h em o s ti m p o r t a n ti n f l u e n c ei nt h ee n e r g ye x c h a n g eo ft h et w o p h a s e f l o wi nt h es p r a yc h a m b e ra l er a t e c h a n g eo fe n t h a l p ya n dt h eh e a te x c h a n g ew h i c hi s b r o u g h tb yt h em a s st r a n s f e r v i z 1 a t e n th e a to fv a p o r i z a t i o n a f t e rt h em a g n i t u d e a n a l y s i s a f t e rt h ea n a l y s i s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w o p h a s e se n e r g y e x c h a n g ei nt h es p r a yc h a m b e r t h i sp a p e ra n a l y z et w op a r a m e t e r s w h i c ha r e r a t e c h a n g eo fe n t h a l p ya n dl a t e n th e a to fv a p o r i z a t i o nm o s t l ya n di g n o r eo t h e r s i tc a n p r e d i g e s tt h ea n a l y t i c a lc o l n 辩 t h i sp a p e rs t u d i e st h ed o w n s t r e a m i n gw a t e r a i r s y s t e mi nt h em o v e dc o o r d i n a t es y s t e ma n dr a t i o c i n a t et h ea c a d e m i ce q u a t i o n so f t w o p h a s ef l o wi n t h es p r a yc h a m b e r a n dt h e n i tl i s c st h ea n a l y t i c a ls o l u t i o na n d n u m e r i c a ls o l u t i o nt oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r e sm u t a t i v es t a t u sw h e nt h es i n g l ed r i p m o v e si nt h es p r a yc h a m b e r c o m p a r et h ee x p e r i m e n t sd a t aw i t ht h er e s u l t so ft h et h e o r y t h i sp a p e rg e t st h e c o n c l u s i o n st h a tw h e nt h eh y d r a u l i cp r e s s u r ei sl e s st h a n1 5 7b a r t h ee x p e r i m e n t s d a t aa n dt h er e s u l t so ft h et h e o r ya r es i m i l a ra n dt h ee l l o ri sl e s st h a n6p e r c e n t s w h e n i ti sm o r et h a n1 5 7b a r ab i ge i r o ri sa p p e a r t or e m e d yt h i se r r o r w h e nt h eh y d r a u l i c p r e s s u r ei sm o r et h a n 1 5 7b a r t h ea c a d e m i ce x p r e s s i o n sa lec o r r e c t e d a f t e rt h e c o r r e c t t h ee x p e r i m e n t sd a t aa n dt h er e s u l t so ft h et h e o r ya g es i m i l a r k e y w o r d s s p r a yc h a m b e rg a s l i q u i df l o w h e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g e t w o f l u i dm o d e la v e r a g ee q u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果 除 了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也 不包含为获得云望至些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 冷准 签字日期 冲年 月切瑁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权丞 洼王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩 印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 仓况 导师签名 李辛1 岛 签字日期 可年1 月订e l 签字日期 研年1 月型i e 学位论文的主要创新点 一 针对喷水室两相流的具体情况 详细分析了气液两相流的基本特 点和运动特性 并在此基础上 对两相流基本方程进行了各种简化假 设 初步建立了反映喷水室两相流特点的数学模型 二 分析研究喷水室两相流中液滴的内部温度分布情况 在毫米级别 上研究两相流动的热湿交换特点 三 根据喷水室两相流的实际流动状况 为两相流划分流动区间 分 析各段区间的热湿交换特点及流动方式 进一步简化喷水室两相流热 湿交换过程的理论研究 四 搭建单喷嘴顺喷实验台 利用实验数据验证理论公式的正确性 对理论公式的偏差之处进行分析研究 讨论偏差形成原因 并采取方 式进行修正 是理论公式与实际过程相符 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 半个世纪以来 随着近代工业的发展 气液两相流迅速地发展成一个学科分 支 无论在能源 动力 石油 化工 制冷 冶金等工业部门中 还是在核能 航天 火箭 材料等技术领域中 气液两相流理论都得到了广泛的应用 s i e g e la n d r o b i n s o n 1 9 9 2 u 1 f a n 1 9 8 9 瞪 虽然两相流学科是近几十年来才形成 可同两相 流有关的问题很早以前就在生产中遇到 并提出了各种解决办法 早在1 8 1 7 年 b o u s s i n e s q 口1 就己较系统研究过明渠水流中泥沙的沉降和输运 1 9 0 1 年 m a l l o c k h l 研究过声波在泡沫介质中传播时的强度和衰减 但许多经验和研究成果分散在各 个生产部门 交流不多 有意识地总结和归纳所遇到的各种现象 用两相流的统 一观点系统地加以分析和研究 则是本世纪五十年代才开始 两相流 t w o p h a s e f l o w 名词于1 9 4 9 年在国际上首次出现隅1 1 9 5 2 年 t o o m e y j o h n s t o n e 第一 次较系统地总结和归纳了两相流理论 国际多相流杂志 i n t j m u l t i p h a s ef l o w 于1 9 7 4 年创刊 1 9 8 2 年出现了多相流手册阻1 1 9 9 3 年出现了中译本盯1 至此 两 相流发展为 f j 独立的学科分支 并在近些年开始了迅速发展 但两相流具有复 杂性和多样性 在理论和方法上都处于发展阶段 是一个充满不同见解 实验性 强 带有经验和半经验色彩 并充满机会 突破和飞跃的学术领域 混合式热质交换设备有许多类型 如喷水室 冷却塔等 其中 在空气调节 工程中 用喷水室处理空气的方法得到了普遍应用 根据喷水室喷水温度的不同 可以实现对空气的减湿冷却 等湿冷却 等焓加湿 增焓加湿 等温加湿等一系 列热湿处理过程 且具有一定的净化空气能力 又由于其具有耗金属量少和容易 加工等特点 在以调节湿度为主要目的的纺织厂中得到大量使用 对喷水室的研 究 湖南大学 东华大学 清华大学 等单位的一些学者做过大量 深入的实验 及理论研究 由于水的表面积是尺寸不同的所有水滴表面积之和 其大小与喷嘴 构造 喷水压力等许多因素有关 难以确定 所以本文在研究喷水室空气处理系 统热交换性能时主要是以实验为基础 根据数值结果验证理论模型 使公式的误 差达到最小 为今后喷水室的实际设计工程提供比较理想的理论设计依据 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 两相流这一术语在2 d 世纪3 0 年代首先出现于美国的一些研究生论文中 1 9 4 3 年 苏联首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上 由于气液两相流动具有可变形的界面和一个可压缩的气相 使其成为两相流 动中最复杂的一种 虽然对这类流动的研究很多 开展也最早 但由于其难度大 和受生产水平的制约 一直发展不快 美国 前苏联 德国在2 0 世纪2 0 年代已 丌始了气液两相流的研究工作 日本始于2 0 世纪5 0 年代 我国在2 0 世纪6 0 年代也开始了这方面的研究工作 总的来说 气液两相流的研究历史不是太长 它是一门大有发展前途的学科 气液两相流和传热学科的形成和发展是和工程技术的进展密切相关的 自1 8 世纪瓦特 w a t t 发明蒸汽机以来 因缺乏气液两相流和传热方面的知识曾经发 生过不少工业事故 气液两相流和传热学科正是在不断总结经验教训 不断进行 研究的过程中逐步形成的 早先一些蒸汽轮船和蒸汽机车的锅炉爆炸事件促使人 们去研究锅炉的水循环和传热问题 在1 9 世纪末和2 0 世纪初 已有一些论文论 述了船用锅炉中的水循环和传热问题 有的还论及了气液两相流体流动时发生的 脉动问题 但总的来说 有关的论文不多 研究工作还处于启蒙阶段 直到2 0 世纪3 0 年代 根据生产发展的需要 气液两相流体的流动和传热的研究工作才 日益展开 发表的论文也日益增多 在1 9 3 0 1 9 4 0 年期间 发表了一些研究气液两相流不稳定性以及锅炉水循环 中气液两相流动问题的经典性文献 在传热方面开展了对大容积沸腾的研究工 作 当时研究的参数一般都在中压以下 1 9 4 0 1 9 5 0 年期间 不仅对双组分气液 两相流的流动阻力等问题进行了研究 而且还将研究工作深入到具有热交换的单 组分气液两相流领域 研究参数也逐渐趋向高压 1 9 5 0 年以后 由于工业技术的飞速发展 例如 动力工业中高温 高压参数 的引入和宇航工业及商用核电站的开始发展 促使气液两相流和传热的研究工作 进一步开展 1 9 5 0 1 9 6 0 年期间 直流锅炉开始采用 在这种锅炉的蒸发管中 进口工质为具有欠热的单相流体 出口工质为干度为1 0 的干饱和蒸汽或过热蒸 汽 因而其中的流动工况与换热工况和一般自然循环锅炉蒸发管中的低干度蒸汽 流动工况与换热工况大不柑同 在直流锅炉的高干度蒸发管中会发生传热恶化和 管子烧损现象 此外 在核反应堆中的热负荷要比锅炉中的高几倍到几十倍 为 了避免换热面烧损也必须研究高干度 高热负荷下的具有热交换的气液两相流问 题 因而 对当时的工程实际而言 只考虑整根蒸发管中气液两相流的平均特性 己不能满足工程发展的需要 必须掌握更详细的关于气液两相流的流动结构以及 第一章绪论 整个干度范围内的传热特性知识以推动工业的发展 所以在此期间对于气液两相 流的流动结构形式及传热恶化问题进行了较为深入的研究 每年发表的有关论文 达5 0 0 篇左右 研究参数也进入高压 超高压乃至超临界压力 近5 0 年以来 美 苏 英等工业发达国家建立了一系列功率为兆瓦级的实 验台 不少实验都能用实物在运行压力下进行 同时 对气液两相流和传热也进 行了较为深入的理论分析 对于气液两相流的流动和传热机理 流动结构形式及 其影响因素 流动时相的分布及摩擦阻力计算 流动时的动态不稳定性及沸腾传 热和强化传热等问题都做了广泛的研究和分析 并得出了诸多理论公式 总结气 液两相流和传热的各种研究成果的专著也大量出版 这标志着气液两相流及其传 热已发展到一个新的阶段 一个逐步形成 f j 新学科的阶段 近3 0 年来发生的核电站事故 例如 美国三里岛核电站事故 促使各主要 工业国对与核反应堆安全问题有密切关系的核反应堆的热力 水力状况进行了大 量研究工作 主要工作是利用计算机进行估计性计算 编写了大量计算机程序估 算核反应堆正常运行及发生事故时的热力及水力工况 与此同时也进行少量大规 模试验以资较核 在其他工业领域中 对于气液两相流动和传熟的研究工作都在 向着增加研究参数 扩大研究范围和进行一些全尺寸部件试验的方向努力 对于 管束中的流动结构形式和流动阻力的研究也在增多 以适应废热锅炉 重沸器 列管式蒸发器以及其他的热交换设备发展的需要 同时 为利用海洋热能而设计 的各种锅炉和凝结器也需要气液两相流和传热方面的资料 随着人们对节能以及 积极开发新能源问题的日益重视 气液两相流和传热的研究工作将得到进一步发 展 随着计算机技术和电子信息技术的飞速发展 有关气液两相流技术的研究更 加深入 数值分析技术的进展 使人们有可能在计算上仿真多相流动过程 各国 特别是发达国家开始研制多相流计算模拟软件 各种大型的有限元分析软件也将 流场分析的范围扩充到气液两相中来分析 气液两相流和传热学科的进展与工业的发展是密切相关的 工业的发展不断 向气液两相流和传热的研究提出新课题 而气液两相流和传热研究工作的进展又 进一步促进了工业的发展 1 2 1 两相流的研究方法 8 阳 虽然迄今为止对两相流动的实验和理论研究已取得了显著成果 不仅可以解 决工程技术中的有关设计和运行问题 而且为进一步开展研究和探索奠定了基 础 但是 由于该问题固有的复杂性 多样性以及测试手段的局限性 许多两相 流动现象 机理和过程目前还不甚清楚 最直接 可靠的方法还是通过实验来理 第一章绪论 解其物理机理 同时在实验数据的基础上 产生了各种模型 而且实验数据可以 用来检验不同模型的精确性 因此 实验研究与测量在两相流领域目前仍占据着 尤可替代的首要地位 目前研究和应用中涉及的气液两相流大多数是管内流动 在实际应用中 主 要应用经验方法 机理建模方法以及n o v i e r s t o k e s 方程的精确解三种方法 经验方法从两相流动的物理概念出发 或者使用因次分析法 或者根据流动 基本微分方程式 得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数 然后将 实验数据以一定方式关联成经验关系式 然后由内插或外推应用于实践 按经验 或半经验处理方法所得到的关系式或曲线 一般都便于工程的实际应用 但是经 验关系式只在其参数允许范围内有效 因此在实际应用中 必须应用实测的资料 对现有的经验关系式进行验证 选择出适合的方法 n o v i e r s t o k e s 方程的精确解就是应用流体力学方法计算气液管流中的压降 和体积百分数 这种方法基本上适用于较大范围的需要 但是这个过程需要两相 流动连续性方程 动量守恒和能量守恒方程的解以及确定的气一液界面 截止目 i i 这些解的稳定性尚未解决 只施行了一些简单解法 机理建模方法是介于经验方法和n a v i e r s t o k e s 方程数值解之间的一种方法 它考虑了大多数重要的物理现象 而忽略了少数会将问题复杂化 而且不会有效 改善解的精确性的重要物理现象 然后根据两相流动本质特征划分流型 针对特 定流型解决实际问题 根据各种流型的特点分析其流动特性并建立关系式 从理论分析方法来看 两相流的研究存在微观和宏观两种观点 微观分析法 就是从分子运动论出发 利用b o l t z m a n 波尔兹曼 方程和统计平均及其理论 建立两相流中各项的基本守恒方程 这种微观分析法可以作为一级近似从 b o l t z m a n 方程导出宏观描述的基本方程 对连续介质理论的基本方程的有效性取 得一些指导性原则 同时还可以给出关于粘性系数 导热系数等系数以及有关颗 粒的分压 内能等等概念及状态参数的重要知识 这些系数在宏观分析中只是作 为流体状态变量的已知函数被引入的n 町 两相流分子运动论在描述流动问题上有 许多概念上的优点 可以比宏观的连续介质理论给我们更多的知识 但由于物理 一j 二和数学上的许多困难 目前还不能使用该理论来处理任何实际流动问题 宏观分析法 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i 根据每一相的质量 动量和能量宏观守恒方程以及相问相互作用 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 问题 在许多实际问题中 我们所关心的不是单个物质粒子的运动而是大量粒子 运动所产生的总结果 也就是所谓的宏观量 如压强 密度 温度 平均流速等 l 第一章绪论 随着气液两相流理论在工业应用的日益扩大 技术的不断发展 推动了人们 对两相流流动现象的深入理解 随着激光衍射技术等科学技术的不断发展 通过 理论分析方法得到精确解也成为了可能 1 2 2 两相流基本数理模型n 习 随着计算机仿真技术的发展 气液两相流仿真也逐渐发展起来 在实际气液 两相流环境中 两相流动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 使得其流动比单相流动要复杂得多 因此即使是同样份额的气液质量比 如果分布状况不同 其流体力学及热力学特性也将不同 因此在讨论气液两相流 的流体力学特性以前 首先需要了解两相介质的分布情况 然后再应用流体静力 学和流体动力学的基本方程式 即连续性方程式 动量方程式和能量方程式对两 相介质的流动特性进行分析与求解 当气液两相介质共存时 两相的存在情况或分布状况可以是各种各样的 有 气体以细微气泡形式均匀充满液体中的沫状情况 有以巨大气泡形式自液体中涌 出的浮泡情况 还有液体以细小水滴分散在气体中的雾状情况等等 而且还存在 密集与分散之分 当其密集时可能有不同程度的聚并现象 例如小气泡并成大气 泡或小液滴并成大液滴 甚至两相截然分开 不同的分散状态下 气液两相流动 状态不同 流体力学特性也不同 因此 在对两相流进行计算时选择合适的计算 模型是比较关键的 如果需要准确掌握气液两相流的变化情况 应该采用瞬态流动模型进行分 析 对瞬态模拟来讲 要想获得准确的仿真结果 必须揭开多相流动的机理 但 是 由于受实验条件的影响 许多理论和方法仍处在不断探索中 从目前的瞬态 模型来看 大多数情况是对质量守恒 动量守恒方程采用瞬态模型 而对于能量 方程仍然采用稳态方程n 纠甜 从目前所发表的文章来看 大多介绍的是简化后的 瞬态求解方法 总体来说 根据研究的深入程度 为了研究方便 在气液两相流 体力学中 常采用简化的两相流动模型进行处理 以便探讨其运动规律 目前常 用的数理模型有 均相流动模型 分相流动模型 机理模型 漂移流动模型和两 流体模型等n 引 1 均相流动模型 均相流动模型简称为均流模型 这种模型是将两种流体看成为一种均匀介 质 即认为流体具有均一的流动参数 其物理参数是两相介质对应的平均值 因 此可以按照单相介质处理其流体力学问题 由于这种模型没有考虑气液相间的耦 合 计算方法简单 该模型可用于计算分散气泡流和雾状流 但在描述其它流型 如段塞流 环状流等 时 精度较差 第一章绪论 均流模型建立的基本假设条件为 气液相速度相等 即为均匀流 真实含气率和体积含气率相等 压 力 密度等互为单值函数 气液两相介质己经达到热力学平衡状态 即两相具有相同的温度并 且都处于饱和状态 计算沿程摩阻时 使用单相流体的摩阻计算公式 实际上气液两相的流速并不相等 只有在高含气量或很小含气量时两相流速 爿 近似相等 因此这一模型实际上只适用于泡状流和雾状流 对于弹状流和段塞 流 需要进行时间平均修正 对于层状流 波状流和环状流 则误差较大 从前 人的研究中可以看出 均流模型的计算结果与实验值有较大出入 偏差随质量流 速的减小而增大 这种偏差的存在是因为均流模型假设两相之间没有速度差异 质量流速较小时 浮力效应显著 引起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 2 分相流动模型 分相流动模型简称分流模型 它是把两相流动看成为气 液相自动分开的流 动 每相介质有其平均流速和独立的物性参数 此类模型分别对气液相建立连续 性方程 动量方程和能量方程共六个方程 且考虑气液相间的摩擦阻力以及动量 传递对流动过程的影响 因此这种模型可以较好地反映两相流动过程 它是目i j 公认的最精确的模型之一 但由于模型较为复杂 方程的形式随流动状态的发展 而变化 在有些条件下 方程的特征值会出现复根 数值计算稳定性差 因此仍 需嘤研究完善它的数值解法 近些年来许多学者正致力于这方面的研究 发表了 人量的研究成果 卜2 5 1 分流模型建立的基本假设条件为 两相介质分别有各自的按所占断面积计算的断面平均流速 尽管两相之间可能有质量交换 但两相之间是处于热力学平衡状态 压力和密度互为单值函数 分流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 两相都以一定的平均速度在流道中流动 但不一定相等 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 因此可将均相模型视为分相模型的一 个特例 分流模型适用于两相间存在微弱耦合的场合 如层状流 波状流和环状 流 3 机理模型汹1 第一章绪论 机理模型就是根据气液两相在管中流动的物理和力学机理 来确定流体水动 力学特征的预测方法 t a i t e i 等人首先开始机理模型的研究工作 他们研究了不 同流动型态过渡的物理机理 b a m e a 提出了一个综合模型 适用于任何倾角的管 道 应用其流动型态过渡标准 可以将各种流动模型联合起来 在t a i t e l 和b e r n e a 工作之后 提出了大量的机理模型 这些模型包括流动 型态的确定 压降和持液率的计算 基于b e m e a 的工作 p e t a l a s 和a z i z 提出了 流动型态过渡标准模型 此外 应用s m f d 的实验数据 得到了新的层流中液 壁 油气界面摩阻 液体的吸入百分数 环空雾流界面摩阻等的关系式 1 9 8 2 年s h o h a m 对倾斜管道中气 液流动时流动型态转换进行了实验和理论的 研究 在s h o h a m 数据的基础上发展了b a m e a 模型 而且通过实验数据验证了该 模型适用于任何倾角的管道 1 9 7 9 年w e i s m a n 等考虑到流体性质的影响 在水平 管道中进行了实验 但是在机理模型中对消除流体性质影响的能力没有进行广泛 的分析 从一种流动型态向另一种流动型态的转变不是突然的 而是存在着过渡区 域 在一些主要流动型态中也存在子流动方式的过渡 这些过渡区域和特殊的物 理机理相关联 在水平和轻微倾斜的管中 液体表面层流向波状流过渡的基础是 k e l v i n h e l m h o l t z 的不稳定分析法 该转变准则应用效果较好 b a m e a 进一步将这 一准则应用于处理向下流动时层流的转变 此后相继提出了其他转变的转变机理 和模型 女i t a i t e l d u k l e r 和k o k a l s t a n i s l o v 对转变到弥散泡流时浮力和由于紊流脉 动而产生的力的分析 向环雾流转变时气芯的自动封锁 b a m e a 以及有效粘度 准则 j o s e p h 等 的提出 发展机理模型的目的是希望建立一种通用的模型 得出一种在较宽的范围内 部普遍适用的方法 但是由于多相管流问题本身的复杂性 目l i 人们仍没有十分 清楚地认识气液同时在管中流动时的流动规律 近年来 虽然国内外提出了一些 机理模型方法 但这些方法中的一些界限及系数仍需要靠室内实验或实际经验来 确定 4 漂移流动模型 漂移流模型又称为混合模型 它可以看作是介于均相流模型和分相流模型之 间的一种处理方法 这种模型引入了气相漂移速度参数 考虑了气液相间的滑脱 作用影响 利用稳态流动的关系式计算持液率大小 而对其他参数的计算仍然采 用了均相流或分相流模型中所用到的方法 漂移流模型假定各相流体具有不同的流动速度 此时 气液混合物应看作气 液间有滑动的混合物 漂移流的假设条件为 气液相速度不同 第一章绪论 气液两相介质己经达到热力学平衡状态 计算沿程摩阻时 仍使用单相流体的摩阻计算公式 在该模型中 考虑两相间的相对运动 在计算持率时 考虑气相漂移速度参 数 利用稳态流动的关系式计算持液率的大小 而其它计算仍然延续了均相流的 方法 1 9 9 7 年 s c o g g i n g 以漂移模型为基础 对气液相分别建立连续性方程和混 合的动量方程 研究在此g 4 q 下的数值计算方法 随后又有不少研究成果发表 5 两流体模型 两流体模型是将每一种流体都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 这种方法只需假设每相在局部范围内都是连 续介质 不必引入其它人为假设 而且对两相流的种类和流型没有任何限制 适 用于可当做连续介质研究的任何二元混合物 所建立的两相流方程是目前最全面 完整的 求得的解中包含的信息丰富完全 是目前一致公认最为完善可靠的模型 它可以用欧拉方法和拉格朗r 方法来描述 但两流体模型包含的变量多 方程复 杂 因此求解比较困难 虽然两流体模型得到了发展 但是还没有使所有学者形成一致观点 至今 在气液两相层流流动的数值模拟中得到了令人满意的结果 瑚1 而双流体模型已 经更好地应用于模拟气固两相湍流流动 并取得了较好的结果 两流体模型方程的建立各种观点不一 主要有着下面三种不同的观点 d r e w s e g e l 啪1 i s h i i d s o o b 胡等采用连续介质模型建立两相流方程时 只 需假设每一项在局部范围内都是连续介质 因此称之为连续介质模型 未引入其 它各种人为的假设 而且对两相流的种类和流型没有任何限制 它在逻辑上和数 学上推导是目前最严密的方法 所建立的两相流方程也是目前最可信赖的 但是 当应用于悬浮体两相流时 由于这类方程中关于各种相间作用 相间质量 动量 和能适交换 和微元体的各种面作用 应力和热流 等的表达式 形式相当繁复 且物理意义不直观 因此 理解和使用这种模型比较困难 尤其计入表面张力作 用时变得更加困难 m a r b l e 1 和刘大有阳1 等建立和发展了分子动理学模型 这种模型仅适用于较 稠密的气体一颗粒流的基本方程 但是由于在压强张量和热流量中忽略了颗粒一 颗粒碰撞的效应 所以这种模型不适用于颗粒浓度很高的流动 其与连续介质模 型相比 存在着两点主要的差异 除了颗粒和气体分子本身的体积外 空间许 多地方是 空一的 控制体内气相和颗粒相的质量计算是不连续的 它们的最 小计量单位分别是一个分子的质量和一个颗粒的质量 刘大有滔1 提出了颗粒群模型 采用这种模型建立两相流方程的过程比较简 第一章绪论 单 得到的方程比较实用 方程中每一项 每个量都有比较简明的物理意义 同 时它被 3 6 证明同连续介质模型建立的方程相容 因而具有基本相同的正确性和 可靠性 但是这种模型仅适用于气一固两相流 液一固两相流以及气液两相的雾状 流和泡状流 1 3 本文的研究目标及完成的主要工作 从水气两相流数学模型的研究和数值模拟的进展来看 目前对水气两相流的 研究还很不充分 在大部分两相流公式中 物理问题是由宏观场方程和封闭关系 来描述的 两相流双流体模型可由许多方法来推导 无论如何 对局部瞬时公式 的各种平均方法具有最为严格的数学基础 由于详细的平均方法的发展 两相流 数学模型研究的重点己从场方程转移到本构方程和封闭关系上 在数值模拟方 面 目前也只能沿用单相流的方法 对一些简单的两相流动进行数值模拟 与单 相流的数值模拟相比 目前对两相流三维问题及其在复杂边界或曲面坐标系下的 数值模拟研究内容太少 亟待进一步拓展 本文主要从理论上研究喷水室中气液两相流的热湿交换情况 研究的内容和 完成的工作包括 1 推导两相流双流体模型的控制方程 得到控制方程组的通用形式 2 分析和讨论两相流基本方程组的封闭问题 并对相间相互作用的研究进行 回顾和总结 3 针对水气两相流特点 讨论了气液两相流的基本数学模型 4 对喷水室中气液两相流进行单喷嘴实验实验分析 5 应用本文给出的数学模型和数值计算方法 对喷水室中气液两相流进行了 数值计算 并与实验数据进行比较分析 进一步完善理论内容 第二章气液两相流 第二章气液两相流 弟一早弋淑例个日况 2 1 气液两相流的基本概念 2 1 1 两相流的定义 按热力学 相 是物质所处的状态 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 按力学 凡有相同特征参数特性 如有相同的集体速度 温度及尺度的气泡 群或颗粒群 均可看成为一个 相一 由此形成 多相流一 多相流动是几个 相 同处于一个系统内流动的体系 这几个相可以是同 一种物质的不同相态 也可以是几种物质的不同相态 仅有两种相态同处于一个 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 两相流 中的 相 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 例如水及其蒸气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系统内的两相流体 流动 例如空气 水构成的气水两相流动体系 但是 广义来说 某些双组分流 动 主要指液体 液体流动 由被此互不混合的一种相态构成 也常称为两相流动 例如油水两相流动 对于这种双组分流动 从相概念出发 常指连续的组分和不 连续的组分 或者彼此互不混合的两种连续相的分层流动 2 1 2 两相流的特点 两相流动是自然界 人类日常生活和工程技术中十分常见的现象 它比单相 流具有更广泛的普遍性和实用性 但其物理特性及数学描述却要复杂得多 概括 说来 大致有如下特点 l 流型复杂多变 在单相流中一般分为层流和紊流两种 而在多相流中 流型还与相间的相对 位置 相对含量 相对速度和相对温度有关 同时 各流型还随流体物性 如 密度 粘度 表面张力 传热系数等 流动条件 过流形状及边界条件 热负 荷及压力等的不同而发生变化 流动特征 如 损失特征 传递特征等 也跟着改 第二章气液两相流 变 而且 一个流场 例如 加热管道 绝热有相变管道中 可能同时存在几种流 型 这就给两相流动分析带来了很大困难 通常只能通过实验得出各种流型状态 图 建立各种流型变化的经验或半经验公式 它们的精度一般较低 使用范围也 较小 为了得到更精确 适用范围更大的公式 必须进一步揭示两相流流动本质 2 相间相互作用强 单相流不存在相间相互作用 但在两相流中 不仅有两相问的相互作用 而 且对于不连续相来说 各相内部也存在相互作用 这些都是两相流中面临的问题 如何来描述这些相互作用是多相流动研究中的一个重要方向 同时 由于这种作 用又与流型 物性等密切相关 因此 很难建立某种适用范围较大的相关式 这 也给两相流的研究带来了相当困难 3 物性变化临界值降低 在单相流动中 由于流体是单成分的 通常物性变化较小 而在两相流动中 有两种成分 其物性将随容积比 密度比 温度等变化而变化 因此 两相流中 必须定义更多的物性参数 同时 各物性之间变化的临界值降低 例如 液体中 含有一点气体时 其i 临界速度 i 临界流量将引起大幅度下降 直至气量增到一定 程度 下降率才趋于变缓 由此可知 两相流中的音速必低于两相中任意一相的 音速 4 能耗增大或减小 在单相流中 不计粘性损失就没有能量损失 但在两相流动中 即使不计壁 面边界层粘性损失 也有相间摩阻和蒸发凝析引起的能量损失 所以两相流能量 损耗一般比单相流大 但若在流体中加入少量高分子物质而形成两相流 其阻力 系数可以降到比单相流还低 因而此时可引起到减阻的作用 其能耗比单相流还 低 5 数学描述难度大 单相流中以体积力为主 数学描述较易 而在两相流动中 相间摩擦 传热 传质 化学反应等都发生在微元表面 相互作用强 因此描述两相流的守衡方程 质量 动量 能量 状态 组分方程 边界条件 不仅数量多 形式复杂 而 且方程组的非线性程度和耦合程度都大大增加 这也给两相流数值解法提出了新 的问题和要求 6 存在界面扰动 在相界面上 如果存在浓度梯度 温度梯度 化学反应 均会引起表面张力 的改变 促使界面产生自发收缩 局部扰动 分裂 震荡等现象 这种扰动将引 起各种界面波 其波形 波长 波幅一般变化较大 从而产生相间强烈的相互作 用 并对相间质量 动量和能量传递 化学反应和压降产生重大影响 第二章气液两相流 7 音速和临界速度不再相同 在单相流中 只要假定流动是热力学平衡和等熵过程 其音速 小扰动波传 播速度 临界速度是相同的 但在两相流中 由于相间存在速度差 各相特征 不一 临界速度与音速并不相同 8 存在松弛现象 在单相流中 气体流经激波时 流动参数发生突变 无松弛过程 但在两相 流中 除气相服从激波突变规律外 液相或固相对激波并不敏感 通过激波 其 参数几乎不发生变化 所以激波后各参数不一 必须经过一个松弛调整过程 才 能使各相参数趋于新的平衡 这种松弛称为激波松弛 另外 滑动松弛 冷却松 弛或膨胀松弛也是两相流才特有的现象 2 2 气液两相流流动参数 2 2 1 流量 2 2 1 1 质量流量 质量流量 m 是单位时间内流过流道或绕过流体的介质流量 单位为k g s 对于气液两相流有 m m g m 2 1 式中 m 气液两相流的质量流量 k g s m g 一液相的质量流量 k g s m 气相的质量流量 k g s 2 2 1 2 容积流量 容积流量 q 是单位时间内流过流道或绕流体的介质容积 单位为m 3 s 对于气液两相流有 q g q 2 2 q 气液两相流的体积流量 m 3 s q 暑 气相的体积流量 m 3 s q 一液相的体积流量 m 3 s 第二章气液两相流 2 2 2 流速 2 2 2 1 面积质量流速与流速 面积质量流速 g 是单位流通截面的质量流量 也称质量通量 单位为k g m 2 s 在气液两相流中 气液所占的流通面积分别为4 和4 则 气相面积质量流速 g 专 p 3 液相面积质量流速 g 堕 4 气相和液相的流速 u t p 单位流通截面积的容积流量 单位为m s 在气液两相流中 气相流速 h 署 妾2 者 液相流速 鱼 堕 t ap l a l 2 4 2 5 2 6 上述两个速度实际上是气液相在各自所占流通面积上局部速度的平均值 常 称为气液相的实际速度 2 2 2 2 表观面积质量流速 q 折算速度 表观面积质量流速 g s 是假定管子全部流通截面只被两相混合物中的任一 相占据时的面积质量流速 k g m 2 s 即 气相表观面积质量流速 吒 了m g 2 7 液相表观面积质量流速 q t 等 2 8 第二章气液两相流 折算速度 u s 是假定管子全部流通截面只被两相混合物中的任一相占据时 的流速 m s 即 气相折算速度 驴鲁一去 仁 液相折算速度 驴鲁一等