两相流_第2章_两相流的流型和流型图

第二章 两相流的流型和流型图,本章主要内容 1.流型的定义、影响流型的因素; 2.竖直上升绝热管、竖直下降绝热管、水平绝热管中存在的流型、特征及出现范围; 3.管内淹没和流向反转的产生及判别; 4.流型的过渡及判别； 5.采用流型图判别流型的方法。,2.1 研究流型的意义,一.何谓两相流的流型?单相流与两相流的区别？ 1.单相流流态分三种：层流，过渡流，湍流 2.气液两相流体在流动过程中，两相之间存在分界面，这就是两相流区别于单相流的重要特征。 3.两相流中相间界面的形状和分布状况，就构成了不同的两相流流型。,三.影响流型的因素 1.x,P,G; 2.是否受热（非绝热）； 3.流动方向； 4.流道结构。,1.流型影响流体的换热特性； 2.流型影响压降特性； 3.流动不稳定性与流型有关； 4.建立流动模型与流型密切相关。,二.研究流型的意义,2.2 垂直上升管中的流型,泡状流,一. 垂直上升不加热直圆管,1.泡状流,(1)特征： 1)液相连续，气相不连续； 2)气泡多数呈球形； 3)管子中心气泡密度大，有趋中效应。(2)出现范围： 主要出现在低x区，在中低压情况下，出现在 ； 高压情况下， 较大仍为泡状流，,2.弹状流,(1)特征 1)大气泡与大液块交替出现，头部呈球形，尾部扁平，形如炮弹； 2)气弹间液块向上流动，夹有小气泡； 3)气弹与管壁间液层缓慢向下流动。(2)出现范围 1)低压、低流速, ，低压时气泡长度可达1m以上； 2) ,不能形成大气泡，当P10MPa时，弹状流消失； 3)出现在泡-环过渡区。,弹状流,3.乳沫状流(搅混流）,(1)特征 1)破碎的气泡形状不规则，有许多小气泡夹杂在液相中； 2)贴壁液膜发生上下交替运动，从而使得流动具有震荡性。(2)出现范围 它是一种过渡流，一般出现在大口径管中，小口径的管中观察不到。,乳沫状流,4.环状流,(1)特征 1)贴壁液膜呈环形向上流动； 2)管子中部为夹带水滴的气柱； 3)液膜和气流核心之间存在波动界面。(2)出现范围 1)在PPcr，0x10Mpa，弹状流消失，流型直接从泡状流向环状流转变。 (2)绝热管中不会出现雾状流。,二.垂直上升加热直圆管中的流动型式,三.流型图,目前广泛采用的流型图均为二元的，其坐标为流动参数或组合参数。 选用右图流型图注意1. 实验条件Di=31.2mm; P=0.14-0.54MPa,流动工质是空气和水。2. 该图和应用P=3.45-6.9MPa,汽水混合物在Di=121.7mm管子中得到的实验数据符合良好。,3.坐标参数,横坐标：分液相动压头 纵坐标：分气相动压头,2.3垂直下降管中的气液两相流流型及其流型图,1.泡状流 2.弹状流 3.下降液膜流 4.带气泡的 5.块状流 6.雾式环状流 下降液膜流,一. 流型的分类,1.泡状流,特征: 1)气泡集中在管子中心部分 2)气泡尺寸更小，更接近于球形。2.弹状流 若 ，则气泡将聚集成气弹。特征： 1)气弹较长，尾部呈球形； 2)下降流时贴壁面液膜向下流动，故比上升流时稳定。,3.环状流,(1)下降液膜流 当 小时，有一层液膜沿管壁下流，核心部分为气相，液膜中无气泡。(2)带气泡的下降液膜流 当 时，由于惯性的作用，气相将进入液膜。(3)块状流 当 较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸作用，核心为雾状气柱。(4)雾式环状流 当 较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸作用，核心为雾状气柱。,二.流型图,1.实验条件 空气和多种液体混合物,di=25.4mm,P=0.17MPa2.坐标参数 横坐标 纵坐标,一.水平不加热管中的流动型式 1.泡状流 气泡趋于管道上部，下部较少。其分布与流速关系很大。液相流速增大，分布趋于均匀。2.塞状流 气泡聚结长大而形成气塞，与垂直上升流中弹状流相似。大气塞后有小气泡，由泡状流过渡而来。,2.4 水平管中的流动型式,3. 分层流 (1)出现在 都比较小的情况； (2)两相完全分离，气相在管道上方流动； (3)气液之间有明显的分界面。4. 波状流 气相流速足够高时，由于气相的作用，在界面上产生一个扰动波，扰动波向前推进向波浪一样，形成波状流。5. 弹状流 在波状流基础上，随着气相流速的增加，会使这些扰动波碰到流道的顶部表面，形成气弹。6. 环状流 受重力作用，周向液膜厚度不均匀。 出现在气相流速较高、流量比较大，而液相流速较低时。当壁面粗糙时，液膜可能不连续。,水平不加热管中的流型图片,二.水平加热管中的流动型式,1.单相流 2.泡状流 3.塞状流 4.弹状流 5.波状流 6.环状流,流型演变与P、q、Wo密切相关 P：当P很高时，塞状流和弹状流消失； q：q较大，环状流所占范围扩大； Wo：Wo高，惯性作用增强，可消除波状状流，流型不对称性减小，接近竖直管中的流型。注意：从工程角度，避免水平布置；当水平布置时，需要提高入口水的流速，使Wo1m/s，可避免波状流。,流型图遵循四原则,简易性原则,主导性原则,适用性原则,发展性原则,竖直不加热管中的流型图片,水平不加热管中的流型图片,2.9 管内淹没和流向反转过程的流型,一.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）二.淹没和流向反转现象,注水器,气体,底桶,1.气体流量由零开始增加,液体,图2-31 淹没过程的压降和流量变化,淹没过程实验现象,A,B,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，此点即为淹没开始点。 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。,2.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。,2. 研究淹没和流向反转的重要性,2. 研究淹没和流向反转的重要性,1）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； 2）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。,和 反映了惯性力与重力的比值,3.淹没和流向反转过程的表达式,引入两个无量纲量,1）发生淹没(液阻)的条件,2）发生流向反转的条件,3）液体被全部携带点判定条件,式中，m和c是两个常数，主要跟气体的入口条件有关，可由试验来确定。一般情况下，m1,c1.,(2)低液相流速下，空泡份额 （Taitel等（1980年）),1. 泡状流-弹状流的过渡 (1)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。确定过渡的关键使气泡碰撞聚结的频率。,2.10 流型之间的过渡,(3)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.,2. 水平管中分层流动的出现范围,(1)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：,(2)波的失稳机理. 波状分层流向间歇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：,3. 弹状流-乳沫状流过渡,(1)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。 (2)液柱失稳机理(Taitel) (3)泰勒气泡尾流影响机理（Mishima &Ishii）,4.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。,5.环状流-细束环状流过渡,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。,6.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。即利用表