锅炉水动力学基础

1、物质的相描述定义： 某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的 均匀物质部分，各相间有明显可分的界面。物质的四种相: 固体，液体，气体，等离子体。 古代定义：土、水、空气、火固体 若不受外界干扰，将永保其形状不变；液体 在其水平自由面以下与其容器形状相同；气体和等离子体 不能用边界面包住自己，将充满所能占据的整个空间。流体 液体、气体和等离子体均不能保持形状不变而具有流动性。物质的相所具有的性质单质或纯物质的相图定义： 必须同时考虑物质多相共存且具有明显相界面的混合物流动力学 的 特殊流动问题称为多相流。 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、尺寸和形状等划分。多相流的

2、定义和分类两相流体的流动模型两相流体的流动模型 均相流模型均相流模型 假定两相流体流动时混合非常均匀，看作假定两相流体流动时混合非常均匀，看作是具有平均流体特性的均质单相流体，汽液两是具有平均流体特性的均质单相流体，汽液两相之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。相之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。该模型可以应用单相流体的各种方程式，必要该模型可以应用单相流体的各种方程式，必要时借助于试验系数对方程式进行修正。时借助于试验系数对方程式进行修正。 适用于泡状流型。适用于泡状流型。 分相流模型分相流模型 假定两相流体流动时完全分开，它们各自假定两相流体流动时完全分开，它们各自以一种平均流速流动，

3、即两相之间流速不等但以一种平均流速流动，即两相之间流速不等但已经达到热力动态平衡。这种模型可以对每一已经达到热力动态平衡。这种模型可以对每一相流体写出一组基本方程式，或者将两相的方相流体写出一组基本方程式，或者将两相的方程式合并在一起，并应用经验关系式建立某一程式合并在一起，并应用经验关系式建立某一物理量与流动的独立变量之间的关系式。物理量与流动的独立变量之间的关系式。 适用于环状流型。适用于环状流型。 两相流的基本特征参数单相流的最基本流动特性参数：速度、质量流量/体积流量汽液两相流的流动特征参数可分为两类 由物质平衡或热量平衡方程式算得的参数流量参数 流体流动时的真实的流动特性参数实际流动

4、特性参数，由试验确定1、汽水混合物的质量流量Gh质量流量：单位时间内通过通道总流通截面的流体质量2、汽水混合物的容积流量Qh容积流量：单位时间内通过通道总流通截面的流体容积(/ )hqsGGG kg s3(/ )hqsQQQ ms3.3.质量流速质量流速 单位时间流经单位流通截面的工质质量单位时间流经单位流通截面的工质质量w20/,/(. )wGf kgm s4.4.循环流速循环流速w w0 0 上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速式中：式中：G G0 0为工质的质量流量；为工质的质量流量；f f为管截面积，为管截面积，m m2 200,/G vwm sf 折算

5、速度折算速度 假定假定蒸汽或水容积占据管子全部截面时的速度蒸汽或水容积占据管子全部截面时的速度式中：式中：G G为质量流量为质量流量0,/qqGQwm sff0,/ssGQwm sff 混合物速度混合物速度 00,/sqhhQQQwwwm sffhw质量含汽率在汽水混合物中，蒸汽质量流量所占混合物总质量流量的分额（干度）容积含汽率汽水混合物中，蒸汽容积流量所占混合物总容积流量的份额000/()qsqwxGGGww000/()qsqwQQQww热力学含汽率热力学含汽率（沸腾度）（沸腾度） ()/xiir3(1) ,/sqhhhhQQGkg mQQ 汽水混合物密度汽水混合物的质量流量与容积流量之比

6、。截面含汽率（真实相含率）汽相的流动在任意流通截面上所占通道截面积与总截面之比/fffff汽流通面积f水流通面积f汽水真实速度、相对速度与滑动比汽水真实速度、相对速度与滑动比,/xdsjsjwwwm s,/sssjQGwm sff,/qqsjQGwm sffsjsjwSw汽实际流速水实际流速汽水相对流速（滑移速度）汽水滑动比混合物实际密度与实际流速汽水混合物实际密度：流动瞬间任一流动截面上两相流混合物的密度（测量截面含汽率的一种方法）汽水混合物实际流速(1)()hsjfflfl 00,/()hsjhsjwwwm s 思考题-证明下式：1.1(1)hx02.1(1)hwwx3.1/1(1)/S请

7、思考界面含汽率随质量含汽率的变化趋势？请思考界面含汽率随质量含汽率的变化趋势？汽液两相流体的主要流型单相流体的流动结构型式在普通流体力学中已进行过广泛的研究，其主要流动型式为层流和湍流汽水混合物的流动结构型式（简称流型）比较复杂，影响因素有：压力、流量、热负荷、管子几何形状及流动方向。垂直上升管中汽液两相流流型 泡状流型泡状流型 当汽水混合物中含汽率当汽水混合物中含汽率x较小时，蒸汽呈细小的汽泡，较小时，蒸汽呈细小的汽泡，主要在管子中心部分向上运动，直径主要在管子中心部分向上运动，直径1mm以下，汽泡为球形以下，汽泡为球形 弹状流型弹状流型 含汽率含汽率x 增大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成

8、阻力较增大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成阻力较小的汽弹。压力增加，汽弹会缩小，若压力大于小的汽弹。压力增加，汽弹会缩小，若压力大于10MPa，该流型不会，该流型不会出现出现块状流型块状流型 当管内汽速增大时，汽弹分裂形成块状流型。此时大小不当管内汽速增大时，汽弹分裂形成块状流型。此时大小不一的块状蒸汽团在液流中以混乱状态流动。一的块状蒸汽团在液流中以混乱状态流动。带纤维的环状流型带纤维的环状流型 管壁液膜较厚且含有细小汽泡，管子核心部分主要管壁液膜较厚且含有细小汽泡，管子核心部分主要为蒸汽，但在汽流中含有被气体从液膜带走的细小液滴形成的长条纤维。为蒸汽，但在汽流中含有被气体从液膜带走的细小液

9、滴形成的长条纤维。环状流型环状流型 在这种流型中，管壁上有一层环状液膜，管子核心部分为带有在这种流型中，管壁上有一层环状液膜，管子核心部分为带有自液膜卷入的细小液滴的蒸汽。环状流型都发生在较高蒸汽流速时，含汽自液膜卷入的细小液滴的蒸汽。环状流型都发生在较高蒸汽流速时，含汽率增高，液膜厚度减小。率增高，液膜厚度减小。雾状流型雾状流型 当含汽率当含汽率x 再增大时，管壁上水膜变薄，汽流将水膜撕破成小再增大时，管壁上水膜变薄，汽流将水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被带走，汽与水形成雾状混合物。水滴分布于蒸汽流中被带走，汽与水形成雾状混合物。 汽、液两相数量，即质量含汽率汽、液两相数量，即质量含汽率x不

10、断变化；汽、液两相间存在相对运不断变化；汽、液两相间存在相对运动；产生汽泡趋中效应动；产生汽泡趋中效应热流密度增大方向热流密度增大方向1 流型及其判别流型及其判别水平管流型水平管流型 随着气速增大，各种流随着气速增大，各种流型最后均发展为环型最后均发展为环-雾状流雾状流或单纯雾状流或单纯雾状流。 汽水混合物在水平管中流动汽水混合物在水平管中流动 在浮力作用下，在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。随着流随着流速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分层流动。管子上部

11、与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水分层的交界面处，由于汽水波动，可能产生疲劳损坏水分层的交界面处，由于汽水波动，可能产生疲劳损坏 汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的倾角汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的倾角 愈小，汽水分层愈愈小，汽水分层愈易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于3030 ，以防止发生分层流动，以防止发生分层流动水平管流型判别图水平管流型判别图1/21/202/30( )211XwBw 01/27.1()YwBA 单相流体管内流动时的压力降理想流体沿流线的伯努利方

12、程如下：理想流体沿流线的伯努利方程如下：22wpgz常数常数 ( (沿流线沿流线) ) 理想流体压降dp的组成dddw wg zp加速压力降重位压力降对实际的粘性流体压力降还包括阻力压降（沿程阻对实际的粘性流体压力降还包括阻力压降（沿程阻力和局部阻力）力和局部阻力）总阻力总阻力mcjbzwjsppppp 水力光滑水力光滑粗糙过渡区粗糙过渡区水力粗糙水力粗糙湍流湍流雷诺数雷诺数Re相对粗糙度相对粗糙度/d绝对粗糙度绝对粗糙度粗糙度粗糙度流流 态态层流层流商用管商用管人工管人工管达西摩擦因子达西摩擦因子R Re e, ,= = f f达达 西西 公公 式式2 2f fl l v vh h = =2

13、 2g gd d适用各种管道适用各种管道粘性底层粘性底层 尼古拉兹图尼古拉兹图等效粗糙度等效粗糙度穆迪图穆迪图圆管流动沿程损失圆管流动沿程损失达西公式达西公式穆迪图穆迪图完全粗糙区完全粗糙区穆迪图穆迪图湍流光滑区湍流光滑区过渡区过渡区层流区层流区粗糙过渡区粗糙过渡区普朗特普朗特史里希廷公式史里希廷公式布拉休斯公式布拉休斯公式罗斯线罗斯线Re 2300/ Re 64Re 23004000无规律无规律.Re 0 250 3164Re 5400010 1 1R Re e= =2 2l lg g. 0 8Re 630004 10冯冯卡门公式卡门公式d d= = 1 1. .7 74 4+ +2 2l

14、lg g( ( / /2 2 ) ) 2 ./dRe 0 8524160等效粗糙度等效粗糙度科尔布鲁科尔布鲁克公式克公式1 1=-2lg=-2lg.d.Re 2 513 7Re 8400010水泥水泥 0.33.0铆钉钢铆钉钢 0.99.0 材料材料( (新新) ) (mm) 木板木板 0.180.9铸铁铸铁 0.26镀锌铁镀锌铁 0.15沥青铸铁沥青铸铁 0.12商用钢和锻铁商用钢和锻铁 0.046冷拔管冷拔管 0.0015 塑料和玻璃塑料和玻璃 0.0 商用管等效粗糙度商用管等效粗糙度摩擦阻力系数一般与管子粗糙摩擦阻力系数一般与管子粗糙度及工质雷诺数有关。我国电度及工质雷诺数有关。我国电站

15、锅炉水动力计算标准方法中站锅炉水动力计算标准方法中对于碳钢和珠光体钢管对于碳钢和珠光体钢管k k0.06mm0.06mm，奥氏体钢管，奥氏体钢管k k0.008mm0.008mm。苏联锅炉水力计算标。苏联锅炉水力计算标准方法中对这二类钢管的准方法中对这二类钢管的k k值分值分别取为别取为0.08mm0.08mm和和0.01mm0.01mm。在锅炉中，由于水温高，水的在锅炉中，由于水温高，水的粘度小，因而水及蒸汽的粘度小，因而水及蒸汽的ReRe数数一般均为一般均为10105 5，管内流动工况，管内流动工况在完全粗糙管区。此时摩擦阻在完全粗糙管区。此时摩擦阻力系数与力系数与ReRe数无关。数无关。

16、产生原因产生原因微团碰撞摩擦微团碰撞摩擦产生涡旋产生涡旋扩大、收缩扩大、收缩弯弯 管管速度重新分布速度重新分布阀阀 门门典型部件典型部件计算公式计算公式局部损失系数表局部损失系数表局部损失局部损失22mVh Kg 局部损失局部损失1.1. 入口与出口入口与出口(1)三种管入口三种管入口(2) 管出口（管出口（K=1）2.2. 扩大与缩小扩大与缩小(1) 突然扩大突然扩大(2) 突然缩小突然缩小(3) 渐扩管渐扩管222112212meeVdhK , K()gd22211220 42 12mccVdhK , K.()gd时时, ,K为极小值为极小值 。53.3. 弯管和折管弯管和折管(1) 弯管

17、弯管(2) 折管折管安装导流片后，安装导流片后，K 减小减小80% 。4.4. 阀门阀门关闭时关闭时, ,K 全开时全开时, ,K 值：值：闸阀闸阀 蝶阀蝶阀 球阀。球阀。 dr-K , 90图为图为 曲线。曲线。K 随随增加而增大。增加而增大。弯管中发生二次流和分离区弯管中发生二次流和分离区无相变时的无相变时的管内压力降计算计算直管段的压力降直管段的压力降局部阻力引起的压力降局部阻力引起的压力降22fiLwPd22fwP22efiLwPd22()22wwv注意：有相变时的压力降计算有相变时的压力降计算方法：将两相流当作单相流计算方法：将两相流当作单相流计算hsqxxhsqqxx01(1)sq

18、hQQwwxf 汽化段摩擦压力降计算式为汽化段摩擦压力降计算式为(苏联苏联50年代标准年代标准)：220 1(1)22hhmciiwwLlPxdd均均 相相 法法83年水动力计算标准方法20 1(1)2mcinwlPxd此外还有利用分相流模型著名的M-N计算法有兴趣同学可以参阅汽液两相流的书籍两相流体的局部阻力压力降 20 1(1)2jbwPx均相流模型不同于单相流动，需要查两相不同于单相流动，需要查两相流动的局部摩擦系数流动的局部摩擦系数目前研究并不充分目前研究并不充分两相流体重位压力降(分相流模型) ( )zwhsjPghgh 垂直上式管111S1 111 x200.41122.1PSw

19、倾斜上升管 K111111SKyS*6011 5 10190inw dy 0.25*201()ind垂直下降管计算方法参见有关手册加速压力降加速压力降2jscjcjpw wwwvv2jscjpwxxvv管段的出口和进口的管段的出口和进口的单位截面工质流量单位截面工质流量的的动量动量差值差值 （一般较小，可忽略，不做计算），均相（一般较小，可忽略，不做计算），均相模型的结果如下：模型的结果如下：沸腾的定义：沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。的汽化过程称为沸腾。 沸腾的特点沸腾的特点 1 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热；）液体汽化吸收

20、大量的汽化潜热；2 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。腾换热强度远大于无相变的换热。 沸腾换热现象沸腾换热现象 1 1 ）大容器沸腾（）大容器沸腾（池内沸腾池内沸腾）；）； 2 2 ）强制对流沸腾（管内沸腾）强制对流沸腾（管内沸腾）上述每种又分为上述每种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。产生沸腾的条件：产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1 1）液体必须过热；）液体必

21、须过热； 2 2）要有汽化核心）要有汽化核心 沸腾换热分类沸腾换热分类 通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽汽化核心化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。汽化核心的分析汽化核心的分析 汽泡半径汽泡半径R R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活( (克拉贝龙克拉贝龙方程方程) )minmin22()sswsvwsvTTRR

22、ttrttrR式中：式中： 表面张力系数，表面张力系数，N/mN/m；r r 汽化潜热，汽化潜热，J/kgJ/kg v v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/mkg/m3 3；t tw w 壁面温度，壁面温度， C C t ts s 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度， C C可见，可见， (t(tw w t ts s ) ) , R , Rminmin 同一加热面上，称为汽化同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强汽泡的存在条件汽泡的存在条件（1 1）大容器沸腾）大容器沸腾 定义：定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中指加

23、热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。所发生的沸腾称为大容器沸腾。 特点：特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。进入容器空间。 （2 2）饱和沸腾）饱和沸腾 定义：定义：液体主体温度达到饱和温度液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。 特点特点 : : 随着壁面过热度的增高，出现随着壁面过热度的增高，出现 4 4 个换热个换热规律全然不同的区域。规律全然不同的区域。 大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线（3 3）过冷沸腾（表面沸腾）过冷

24、沸腾（表面沸腾） 指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。冷沸腾。 （4 4）大容器饱和沸腾曲线：）大容器饱和沸腾曲线： 表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4 4个换热规律不同的阶段：个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过自然对流、核态沸腾、过渡沸腾渡沸腾和和稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾，如图所示：，如图所示：qmaxqmin1 1 ）单相自然对流段（液面汽化段）单相自然对流段（液面汽化段） 壁面过热度小时（图中壁面过热

25、度小时（图中 ）沸腾尚未开始，）沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。换热服从单相自然对流规律。4t2 2 ）核态沸腾（饱和沸腾）核态沸腾（饱和沸腾） 随着随着 的上升，在加热面的一些特定点上开的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是：为起始沸点。其特点是： t开始阶段开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为称为孤立汽泡区；孤立汽泡区； 随着随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，泡数量增加，汽泡互相

26、影响并合成汽块及汽柱，称为称为相互影响区。相互影响区。 t 随着随着 的增大，的增大， q q 增大，当增大，当 增大到一定增大到一定值时，值时， q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾核态沸腾（泡状沸腾）。（泡状沸腾）。 t其特点：其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密温压小，换热强度大，其终点的热流密度度 q q 达最大值。工业设计中应用该段。达最大值。工业设计中应用该段。 t 3 3 ）过渡沸腾）过渡沸腾 从峰值点进一步提高从峰值点进一步提高 ，热流密度，热流密度q q减小；当

27、增减小；当增大到一定值时，热流密度减小到大到一定值时，热流密度减小到 ，这一阶段，这一阶段称为称为过渡沸腾过渡沸腾。特点是属于不稳定过程。特点是属于不稳定过程。 tminq原因：原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离速度，汽汽泡的生长速度大于汽泡跃离速度，汽泡聚集覆盖，形成一层蒸汽膜，致使泡聚集覆盖，形成一层蒸汽膜，致使q q下降。下降。 4 4 ）稳定膜态沸腾）稳定膜态沸腾 从从 开始，随着开始，随着 的上升，气泡生长速的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。度与跃离速度趋于平衡。加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使地脱离膜层，致

28、使 上升时，热流密度上升时，热流密度 q q 上升，上升，此阶段称为此阶段称为稳定膜态沸腾。稳定膜态沸腾。 minqtt 稳定膜态沸腾的特点：（ 1 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； （ 2 2 ）辐射热量随着）辐射热量随着 的加大而剧增，使热流密度的加大而剧增，使热流密度大大增加；大大增加； （ 3 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。对较小的液膜。 t （1 1）上述热流密度的峰值）上述

29、热流密度的峰值q qmaxmax 有重大意义，称为有重大意义，称为临界热流密度临界热流密度CHFCHF，亦称烧毁点。一般用核态，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点沸腾转折点DNBDNB作为监视接近作为监视接近q qmaxmax的警戒。这一的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。常重要。（2 2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。2点说明：点说明： 沸腾换热是对流换热，沸腾换热是对流换热，牛顿冷却公式：牛顿冷却公式：()wsqh ttht 沸腾换热计算式沸腾换热计算式计算公式繁多计算公式繁多 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核