第三章--多相流及其测量方法

1,第三章多相流及其测量方法,一、了解多相流的概念二、熟悉工业中常见的两相及多相流的分类及特点三、了解多相流的基本特性参数四、熟悉水平管中两相流的主要流型五、了解两相流的主要参数测量方法,主要内容如下：,2,物理学:自然界中物质的态，如固态、液态和气态；热力学：物体中每一个均匀部分，可以有固相、液相和气相，统称单相物体；动力学：动力学性质相近的一群物体，一种物态可能单相，也可能多相，通常是指具有相同成份和相同物理、化学性质的均匀物质部分，也应是物质的单一状态，如固态、液态和气态，各部分均匀的气体或液体流动可称为单相流；在多相流动的研究中通常称为固相、液相和气相。一般而言，各相间有明显可分的界面。多相流就是指必须同时考虑物质两相共存且具有明显可流动分界面的混合物流动力学关系的特殊流动问题。,3.1多相流的概念,1、相的概念,2、多相流的引入,单相流与多相流：在物理学中物质有固、液、气和等离子四态或四相，若不计电磁特性，也可把等离子相并入气相类。单相流：单相物质的流动称为单相流，两种混合均匀的气体或液体的流动也属于单相流。多相流：同时存在两种及两种以上相态的物质混合体流动就是两相或多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等来区分，即不同的化学组成、不同尺寸和不同形状的物质都可能归属不同的相。,3,在两相流研究中，把物质分为连续介质和离散介质。连续相或流体相：气体和液体属于连续介质分散相或颗粒相：固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质流体相和颗粒相组成的流动叫做两相流动。颗粒相可以是不同物态、不同化学组成，不同尺寸或不同形状的颗粒，有时也把这样的两相流称为多相流。,3.1多相流及特性介绍,两相流流动可以是同一方向流动的“同向流动”，也可能在相反方向的“反向流动”，及介乎两种流动之间的流动，如气液两相流中液相平均流速为零，或液相的平均速度与气相速度垂直的流动。,4,3.2常见的多相流的分类及特点,1、常见的两相及多相流,（1）气液两相流；（2）气固两相流；（3）液固两相流；（4）液液两相流；（5）气液液、气液固和液液固多相流。,5,（1）气液两相流气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。它又分为单组分工质(如水-水蒸气的汽液两相流)：汽、液两相都具有相同的化学成分，汽液两相流在流动时根据压力和温度的变化会发生相变，即部分液体能汽化为蒸汽或部分蒸汽凝结成液体；,双组分工质(如空气-水气液两相流)：两相各具有不同的化学成分，气液两相流一般在流动中不会发生相变。,根据换热情况不同，可分为与外界无加热或冷却等热量交换绝热多相流或有热量交换的多相流。,3.2常见的多相流的分类及特点,6,第一章,（2）气固两相流气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。自然界和工业过程中气固两相流比比皆是：空气中夹带灰粒与尘土、沙漠风沙、飞雪、冰雹，在动力、能源、冶金、建材、粮食加工和化工工业中广泛应用的气力输送、气流干燥、煤粉燃烧、石油的催化裂化、矿物的流态化焙烧、气力浮选、流态化等过程或技术。拟流体假设：严格地说，固体颗粒没有流动性，不能作流体处理。但当流体中存在大量固体小粒子流时，如果流体的流动速度足够大，这些固体粒子的特性与普通流体相类似，即可以认为这些固体颗粒为拟流体，在适当的条件下当作流体流动来处理。在流体力学中，尽管流体分子间有间隙，但人们总是把流体看着是充满整个空间没有间隙的连续介质。由于两相流动研究的不是单个颗粒的运动特性，而是大量颗粒的统计平均特性，虽然颗粒的数密度(单位混合物体积中的颗粒数)比单位体积中流体分子数少得多(在标准状态下，每cm3体积中气体分子数为2.71019个)，但当悬浮颗粒较多时，人们仍可设想离散分布于流体中颗粒是充满整个空间而没有间隙的流体。,3.2常见的多相流的分类及特点,7,第一章,引入拟流体假设后，气固两相流动就如同两种流体混合物的流动，可以用流体力学、热力学的方法来处理的问题，使两相流动的研究大为简化。但拟流体并不是真正的流体，颗粒与气体分子之间、两相流与连续介质流之间存在许多差异，因此使用拟流体假设时要特别注意适用条件：（1）气体分子与悬浮颗粒主要差异在于气体分子之间有很强的相互作用，而颗粒间的相互作用很弱；（2）气体的v，其T；v时，其T，悬浮于气体中的颗粒只能在气体粘性力作用才能运动，而颗粒T不随颗粒v变化；（3）气体分子热运动能贡献压强，但颗粒布朗运动所贡献压强非常微小；（4）气体中扰动通过压强波（分子间相互作用）传播，而颗粒中扰动只能沿着颗粒轨线传播；（5）气体能膨胀、压缩，其比热可分为定压比热和定容比热，但固体颗粒只有一个比热；处理颗粒相运动时，某些方面把其看作流体一样，但另一些方面则必须考虑颗粒相本身的特点。,3.2常见的多相流的分类及特点,8,第一章,根据拟流体假设，颗粒相的密度可以和连续介质的密度一样定义：,对于气体，为了得到统计平均值波动小于1%，极限容积中应包含104个气体分子。标准状态下包含104个气体分子的容积是0.1um3。对于实际工程应用，这个尺寸比气体流动系统的特征尺寸小得多，可以把这个容积看成一个点，因此气体可以看成是连续介质。,对于两相流，以悬浮于空气中煤粉颗粒为例，气固比为1时包含104个颗粒的立方体的边长与颗粒直径之比为102，如果煤粉颗粒直径为100um，则立方体的边长为1cm，这个容积比标准状态下的气体极限容积大得多。但如果流动系统特征尺寸远大于这个尺寸，仍可把该容积看成一个点，及把颗粒视为连续介质。,3.2常见的多相流的分类及特点,9,第一章,在气体动力学中，通常认为/S0.01时，连续性假设才使用（其中为气体分子平均自由行程，S为流动系统的特征尺寸，在两相流动中，由于颗粒的布朗运动较弱，可以认为L/S1m/s，可避免波状流。,（d）均匀受热水平蒸发圆管内的汽水混合物流型管中的流型,57,管内淹没和流向反转过程的流型,(a).气液两相逆向流动的两种极限现象淹没（液泛）、流向反转（回流）(b).淹没和流向反转现象,注水器,气体,底桶,a)气体流量由零开始增加,液体,液体流量一定，当气体流量增加到某一点时，环状液膜表面出现较大的波浪，管段内压差突然升高，注水器上部有水带出，此点为淹没开始点。出现的特征之一：注水器以下管段中压差突然升高。,当继续增加气体流量，达到某一点时，气体将全部液体带出试验段，此点称为液体被全部携带点。,58,b)气体流量逐渐减少当气体流量降到某一值时，液膜开始回落到注水器以下，此点称为流向反转点。在流向反转点后继续减少气体流量至某一值时，全部液体恢复向下流动，这点称为淹没消失点。淹没消失点与淹没开始点所对应的气体流量不相等，淹没消失点所对应的气体流量比淹没开始点对应的气体流量小，这种现象称为淹没消失滞后。,（1）、气液两相流流型,59,研究淹没和流向反转的重要性,60,（c）研究淹没和流向反转的重要性,a）反应堆出现破口事故时，安注系统的投入，需要避开淹没产生的条件，保证冷却水进入堆芯，冷却燃料棒；b)破口事故时，一回路循环工质将沿与蒸汽发生器底部相连的水平管流回反应堆，在自然循环作用下带出堆芯热量，此时会在水平管处产生气液逆向流动，可能会发生淹没现象，因此对水平管内淹没现象发生条件还需进一步的研究。,（1）、气液两相流流型,61,b)低液相流速下，气相含率（Taitel等（1980年）),（a).泡状流-弹状流的过渡a)气泡的聚结机理.气泡在碰撞聚结过程引起气泡的长大，并最终使泡状流过渡到弹状流。确定过渡的关键是气泡碰撞聚结的频率。,流型之间的过渡,c)高液相流速下，液相紊流应力起着离散气相，阻碍气泡聚合的作用，当紊流应力作用大于气泡受到的浮力时，将阻止泡状流向弹状流的转变.,62,(b)水平管中分层流动的出现范围,a)气相速度高，使分层面出现波浪，形成弹状流。消除分层流动的蒸汽界限速度如下式表示：,b)波的失稳机理.波状分层流向弹状流之间的过渡是由于气相通过波形交界面的波峰处受到加速，产生局部压力降落，使峰部同时受到抽吸作用，若抽吸力大于峰部重力效应时，波峰便会扩大，产生流型的过渡。Wallis根据实验数据给出了弹状流起始条件为：,63,(c)弹状流-乳沫状流过渡,a)淹没机理上升的气流使平稳的气液界面遭到破坏，下降的液膜产生流向反转从而破坏了稳定的弹状流。这个机理最早是由Nicklin和Davidson提出的，可以采用淹没关系式表达这一过渡。b)液柱失稳机理(Taitel)c)泰勒气泡尾流影响机理（Mishima&Ishii）,64,d)乳沫状流-环状流过渡,乳沫状流向环状流的过渡可以用流向反转来表示。其判别式与上一节相同。,e)环状流-液丝环状流过渡,这个过渡不太容易分辨，沃利斯（Wallis）经过实验提出了一个近似表达式,当这个公式满足时，就是这个过渡的开始。,65,f)威斯曼的判别方法,采用Weisman流型图判别流型的步骤,1.计算气相折算流速和液相折算流速；2.令，根据流型图进行初判。3.由初判所在的区域，进行流型分界计算。即利用流型表确定，而后计算再查图。4.最后判定流型。,67,（a）垂直管中的流型,气固两相流,气固两相流流型不仅与固相的物性、含量和气相的流速、流量和压力以及管道几何形状、安装方式有关，而且与固体颗粒尺寸有关。,分为两类：处于流化床工况；处于气力输送工况。,固定床颗粒尺寸较大的固体颗物料在支撑物上形成稳定的料层，气体以较小的相对速度从料层中流过，其特点床层压降随风速的提高而增大。膨化床流速增加到一定程度，少量颗粒在一定区间内振动和游动，其数量随流速的增加而增多，床层随流速增大面积不断膨胀临界流化床流速进一步提高，床层压力降等于床层物料重量，使全部颗粒可以在上升气流中，呈现完全自由运动，层床基本性质稳定，如空隙率，流速、床高。鼓泡流化床固体颗粒形成的床层中含有许多大大小小的气泡，气相主要以气泡形成流过床层，床层上部空间为带有稀密固体颗粒的区域。悬浮流固体颗粒均匀地悬浮在气体中向上流动。疏密流固体颗粒在管道中的某些空间呈现聚集状态。栓状流固体颗粒聚集充满了管道，形成固体颗粒栓，它依靠栓前后的气体压力差向前流动。,适用于空气-平均直径450um，平均密度2640kg/m3的沙粒和铁丸，直径25mm的玻璃管。,（2）气固两相流流型,68,（2）气固两相流流型,（b）水平管中的流型,气固两相流,均匀流固体颗粒在气体中呈现均匀悬浮状态分布。管底流固体颗粒在气体中分布不均匀，管道底部较密，做不规则滚动、碰撞、向前流动。管道上部固体颗料呈悬浮状流动。疏密流固体颗粒呈疏密不均匀的流动状态，部分颗粒在管底滑动。脉动流固体颗粒在管道的局部区段积聚而使管内截面变小，气流速度在该区段增大，将停滞的固体颗粒吹走，形成了固体的颗粒积聚、吹走互相交替的脉动流。部分流固体颗粒堆积在管底，只有上部的颗粒在气流作用下做不规则的运动。栓状流固体颗粒堆积充满管道，形成一段段的颗粒栓，被气体推动向前流动。,69,气固两相流水平管道流型图,流化床流型图,流型转换不仅受到固体颗粒尺寸的大小、固相颗粒的浓度、也受到温度和压力降的影响。,（2）气固两相流流型,70,压力降也是两相流中的基本参数之一。混合物的两相流压力降pT与气相、液相、固相分相压力降pg、pl、ps之间已建立了很多理论的、实验的和半经验的关联式，为两相流和分相流量的计算提供了依据。典型关联式如下表所示,4、压力降,71,描述两相流动过程的两相流模型是建立各种测量方法的两相流量模型的基础。,在管内气液两相流中，首先将三维流动简化为一维流动，即假定每相的流动情况仅沿着流向发生变化。尽管这一简化会带来近似，但它既便于计算分析，又具有合理的准确性。一维流动的基本假设是：流动是稳定的；在垂直于流动方向的给定平面上，各相都有一个速度的平均值和密度的平均值；垂直于通道轴线的任一平面上的压力都是均匀的；液相和气相占有的面积的总和等于管道的总横截面积。,在一维流动的基础上，根据流动现象，主要有以下4种简化模型,5、两相流模型,72,基本思想：将两相流动当作具有平均流体特性的单相流，即把气液两相混合物看作是一种均匀介质，其流动参数取两相相应参数的平均值，是单相流体力学的直接延拓。简化条件：a.两相间处于热力学平衡，即两相具有相同的温度并且都处于饱和状态；b气液两相的流速相等，即为均匀流。气液两相的流速并不相等，只有在高含气量(大量气体中含有少数液滴)或者是很小含气量(大量液体中仅含有少量气泡)时两相流速才相等。均相模型是一种最简单的分析模型，常称为“摩擦因子”模型或“雾状流”模型。适用范围：只适用于泡状流和雾状流(尤其是在高速和高压下的泡状和雾状流)。确定合适的混合物平均特性是均相模型的关键。,均相流动模型(homogeneousflowmodel),因此，均相流动模型考虑两相是作为一个整体的均匀混合物，相间没有相对速度。适用于两相间存在强耦合的场合。,5、两相流模型,73,基本思想：把气液两相分别作单相流处理，进而考虑两相间相互作用。简化条件：a.相之间保持热力学平衡；b.气相和液相的速度是常量，但不一定相等，即假定气液两相都以一定的平均速度在流道中流动。分相流动模型必须考虑两相间的相互作用，比均相流动模型复杂。当两相平均流速相等时，即为均相流动模型，因此均相流动模型可看作是分相流动模型的一个特例。,分相流动模型(separatedflowmodel),因此，分相流动模型考虑两相是完全分离的两种流体，两相间存在不同的速度和特性，适用于两相间存在微弱耦合的场合。例如，气液两相流中的分层流和环状流。,5、两相流模型,74,基本思想：热力学平衡假设下，建立在两相平均速度场基础上的一种模型。漂移流动模型提出了一个漂移速度。随着两相流以某一混合速度流动时，气相向前(在向上流中)或向后(在向下流中)相对于这个混合速度有一个漂移速度。为保持流动的连续性，对于液体则有一个反向的漂移速度。漂移流动模型具有较大的普遍性，在某些场合下效果相当好。,漂移通量流动模型(drift-fluxmodel),因此，漂移通量流动模型基本上是分相流模型，重点是研究相间的相对运动。漂移通量与相间相对速度有关。适用于弹状流等。,5、两相流模型,75,基于流型的模型例表,基于流型的模型(modelbasedonflowpattern)对于各类两相流中的各种流型，都建立了一些半经验公式，可供工程应用。列举见下表。,5、两相流模型,76,多相流由于参数多、相间存在变动界面及非平衡效应等原因，多相流处理非常困难和复杂：(1)描述参数多：多相流中含有多种不相溶混的相，它们各自具有一组流动变量。即使两相流，也可划分为气液、气固、液液、液固四种，描述多相流的参数要比描述单相流的参数多。(2)流型多样、复杂：多相流中各相的体积百分数以及分散相的颗粒大小变化范围宽，引起流动性质及流动结构变化大。例如，用管道输送的固体物料可分为稀相和密相输送，而这两种输送方式的分析方法有很大不同。多相流的流动结构通常也称为流型。(3)相间存在相对流动：多相流中，各相间相对速度不同也会引起流动状况的很大改变，气固流化床中气流速度对流动结构乃至生产影响很大。(4)影响流动因素多：各相的物理性质(密度、粘度等)及两相间界面的表面现象都是影响多相流动的重要因素。例如，石油及选矿使用表面活性剂可以提高生产效率。(5)不同流型处理方法不同：各相的性质、含量及流动参数决定了流动型态，不同的流型可用不同的方法来处理。(6)两相之间常存在动力学不平衡和热力学不平衡：不平衡性表现在相之间的速度差异和温度差异，导致相间发生相互作用。随着时间的推移，这种差异有逐渐减弱的趋势。这种现象称为松弛。,6、多相流特点,77,(7)相间常存在传热和传质及化学反应：例如流体与管壁的温度不同(换热器中)，或温度不同的冷气与热气，冷水与热水发生混合，都会发生热传递。有时流体或气体中还有化学反应发生，反应有放热或吸热效应，如在化工反应器中的化学反应，排放含有污染物的水以及燃烧器，燃烧室及炉内的流动等。如发生化学反应常涉及到化学反应动力学、非平衡态热力学及非线性等。(8)对于两相流，除由于相界面存在，通过界面可能发生热量、质量和动量的传递，界面的形状还会随时发生变化。不同程度的相的聚并可能发生，如，小气泡并成大气泡，或小液滴并成大液滴。(9)多相流多为湍流，层流很少见。在湍流两相流中，除各相内部的动量、热量与质量传递外，还有相与相之间(如流体与颗粒或流体与气泡之间)的质量、动量及能量相互作用，而且除流体内部反应外，颗粒与流体，气泡与流体间还可能有异相反应。湍流两相流中有时还会有静电效应(极细粉尘在金属、塑料或有机玻璃管道中运动)或电磁效应(电弧或高频等离子体发生器中或磁流体发电机中含粉尘的两相流)。,6、多相流特点,78,多相流动体系在工农业生产中涉及范围十分广泛，多相流检测的重要性随着经济建设的发展而得到普遍的重视。特别是20世纪后半叶，原子核电站及航天工业的迅速发展、动力工业及石化工业高参数的引入，以及对环境保护的日益重视，促使多相流领域研究作迅速发展，目前已成为国内外给予极大关注的新兴学科。由于多相流动复杂性和随机性，其参数检测难度大，多相流参数检测技术无论在国内还是在国外都还属一个急待发展的研究探索领域。目前，多相流测试技术已成为目前多相流研究中的一个制约性的控制因素。,3.3多相流测量的研究现状,79,3.3多相流测量的研究现状,80,两相流目前的研究水平,两相流作为一门独立的学科可以说已经形成，并正在迅猛发展中。但总的说来，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。要想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。,3.3多相流测量的研究现状,81,和单相流量一样，多相流量目前也已经有多种多样的测量方法。目前，可归为三大类：传统的单相流仪表和多相流量测试模型组合的测量方法；基于近代新技术的测量方法；基于软测量技术的软测量方法。,第二章,第二章多相流测量方法研究,81,3.3多相流测量的研究现状,82,1、单相流量仪表和多相流量测试模型组合的测量方法,第二章,82,第二章多相流测量方法研究,把成熟的单相流量仪表应用到多相流量测试中去，一直是人们多年来的愿望和受到普遍重视的方向之一。目前主要有两种组合的方法：应用一台单相流量计与两相流量模型组合；应用两台(一种或两种原理)单相流量计与两相流量模型组合。,83,(1)、单相流量计测量两相流量,应用一台单相流量计与两相流量模型组合测量。,83,第二章,第二章多相流测量方法研究,表2.1单相流量计与两相流量模型组合实例,(气液两相流),(气液两相流),(气液两相流),(气固、液固两相流),84,(2)、双（多）参数组合测量,应用两种或多种仪表进行双（多）参数组全测量得到两相（多相）流量的测量方法。,84,第二章,第二章多相流测量方法研究,双(多)参数组合测量原理：设有两个传感器S1和S2,已知它们与质量流量的关系为式中qm两相质量流量；x分相质量流量含率。两传感器与qm、x的具体函数关系通过理论推导或实验测试来确定。根据上式即可求解两相质量流量。,85,(2)、双（多）参数组合测量,85,第二章,第二章多相流测量方法研究,图2.1双（多）参数组合,特点：在两相流量测量中,分相质量流量含率x的测量是相当困难的。采用两种仪表组合应用，即两点关联的双参数组合测量方法，联解两个方程式，可在x未知的条件下得到质量流量，因而回避了这一测量难题。应用组分浓度仪表、速度仪表和动量通量仪表两两组合可测得两相质量流量；应用容积流量仪表和温度、压力仪表组合测得气液分相流量，应用容积流量仪表和密度计、导电率仪表组合测出含气煤浆的固相质量流量。,86,组合仪表应用举例,86,第二章,第二章多相流测量方法研究,射线密度计、阻力元件与涡轮流量计的组合应用,87,组合仪表应用举例,87,第二章,第二章多相流测量方法研究,孔板与均速管的组合应用,88,组合仪表应用举例,88,第二章,第二章多相流测量方法研究,孔板与均速管的组合应用,89,组合仪表应用举例,89,第二章,第二章多相流测量方法研究,容积式流量计与压力、温度仪表的组合应用,90,2、应用近代新技术,第二章,90,第二章多相流测量方法研究,在多相流参数测试中研究较多的测量方法大多涉及近代新技术，如辐射线技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关技术、过程层析成像技术等。,表2.2新技术在多相流参数测量中的应用,91,3、软测量技术,第二章,91,第二章多相流测量方法研究,软测量(softsensor)是一种利用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息去估计不可测或难测变量的方法。软测量通常是在成熟的硬件传感器基础上，以计算机技术为支撑平台，通过软测量模型运算处理而完成的。因此也可把实现软测量功能的实体看成是一种软仪表，它可利用多种易测变量传感器信息和先验分析信息，通过软测量模型计算处理得到所需检测的难测或不可测参数的信息。,软测量模型是基于软测量技术建立的。常用的软测量建模技术有：状态估计；过程参数辨识；人工神经网络；模式识别等。,92,3、软测量技术,第二章,92,第二章多相流测量方法研究,表2.3软测量法多相流参数检测,93,3、软测量技术,第二章,93,第二章多相流测量方法研究,下面仅以人工神经网络测量气力输送粉粒物料的气固两相流量为例简介测量系统原理框图如图所示。,图2.2基于神经网络的两相流固相质量流量测量原理,易测变量选取气相质量流量qmg和气固两相流管程压降PT。神经网络结构采用目前研究和使用最普遍的三层BP网络，神经网络的信息处理功能用计算机的软件程序实现。测量过程分两个阶段：学习阶段和测量阶段。,学习阶段是一个建立固相质量流量黑箱模型的过程。在两相流系统中采样气相质量流量qmg和两相流管程压降PT,同时离线标定固相质量流量qms。采样所得若干组数据即为神经网络的学习样本。通过神经网络的学习算法调整神经网络的权系数，使其输出与离线标定值qms的误差满足测量精确度要求。所得权系数固定的神经网络即为固相质量流量的黑箱模型,此模型则可应用于测量阶段。,在测量阶段，A输入任意时刻的气相质量流量和两相流管程压降，即可由黑箱模型输出此时的固相质量流量，实现固相质量流量的在线测量。,94,4、多相流量计的分类,第二章,94,第二章多相流测量方法研究,多相流量计和单相流量计一样，按照传统的原理分类如下：(1)节流式