第二讲A-两相流基本参数及其计算方法TCD教学教材

1、n1.1 基本概念基本概念n1.2 气相介质含量气相介质含量n1.3 两相流的流量两相流的流量(liling)和流速和流速n1.4 两相介质密度及比容两相介质密度及比容两相流基本参数及其计算方法两相流基本参数及其计算方法第一页，共31页。1.1 基本概念基本概念1.1.物态：在某一条件下，物质存在的一种状态。物态：在某一条件下，物质存在的一种状态。常见的物态是气态、液态常见的物态是气态、液态(yti)(yti)和固态。和固态。有时物态也称之为相，常见的物质三态也称有时物态也称之为相，常见的物质三态也称为：气相、液相、固相。为：气相、液相、固相。 判断：下列体系哪些判断：下列体系哪些(nxi)(

2、nxi)是单相的？是单相的？哪些哪些(nxi)(nxi)是两相的？是两相的？ 1 1、水和水蒸汽、水和水蒸汽 4 4、有沙粒的小溪、有沙粒的小溪 2 2、盐水溶液、盐水溶液 5 5、油水混合物、油水混合物 3 3、氢气和氮气、氢气和氮气 6 6、水和冰、水和冰第二页，共31页。1.1 基本概念基本概念2.2.相：通常指某一系统中具有相同成份且物理、化学相：通常指某一系统中具有相同成份且物理、化学性 质 完 全 均 匀 部 分 ， 各 相 之 间 有 明 显 的 界 面性 质 完 全 均 匀 部 分 ， 各 相 之 间 有 明 显 的 界 面(jimin)(jimin)。3.3.辨别单相体系与两

3、相体系辨别单相体系与两相体系 是否系统内各部分的性质均匀是否系统内各部分的性质均匀 是否存在明显的相间界面是否存在明显的相间界面(jimin)(jimin)4.4.两相流：任意两个相组合在一起、且具有相间界面两相流：任意两个相组合在一起、且具有相间界面(jimin)(jimin)的流动体系。的流动体系。 第三页，共31页。第四页，共31页。 1.1.1 两相流的分类两相流的分类(fn li)（1 1）按化学成份分为）按化学成份分为(fn wi)(fn wi) 单组分两相流：同一种化学成分的物质的两种相单组分两相流：同一种化学成分的物质的两种相态混合在一起的流动，如水态混合在一起的流动，如水-

4、-水蒸汽、钠水蒸汽、钠- -钠蒸汽及冰钠蒸汽及冰水混合物等。水混合物等。 双组分两相流：不同化学成分的两种物质处于同双组分两相流：不同化学成分的两种物质处于同一个系统内的流动，如空气一个系统内的流动，如空气- -水，油水，油- -水，烟水，烟- -气等。气等。（2 2）按流道是否存在热交换可分为）按流道是否存在热交换可分为(fn wi)(fn wi) 绝热两相流绝热两相流无相变，无相间质量交换。如汽水无相变，无相间质量交换。如汽水分离。分离。 加热两相流加热两相流有相变，有相间质量交换。如沸有相变，有相间质量交换。如沸腾，冷凝。腾，冷凝。第五页，共31页。 1.1.1 两相流的分类两相流的分类

5、(fn li)（3 3）按两相物质所处的物态可分为）按两相物质所处的物态可分为 气液两相流：水和水蒸汽，水和空气气液两相流：水和水蒸汽，水和空气 气固两相流：风沙，烟气气固两相流：风沙，烟气 液固两相流：血液流动液固两相流：血液流动 液液液液(y y)(y y)两相流：两种不相溶的液体，油水两相流：两种不相溶的液体，油水混合物混合物第六页，共31页。1.2.1 1.2.1 定义定义 气相介质含量表示两相流中气相所占的份额。气相介质含量表示两相流中气相所占的份额。1.2.2 1.2.2 几种表示方式几种表示方式 1. 1.质量含气率质量含气率x x 单位单位(dnwi)(dnwi)时间内，流过通

6、道某一截面的两相流体时间内，流过通道某一截面的两相流体总质量总质量M M中气相所占的比例份额。中气相所占的比例份额。式中，式中， 、 分别表示气相和液相的质量流量，分别表示气相和液相的质量流量，kg/skg/s。那么，质量含液率那么，质量含液率( (湿度湿度) )可以表示为可以表示为1.2 气相介质气相介质(jizh)含量含量MMxMMMM M 1MMxMMM第七页，共31页。 又称为热平衡含汽率，它是由热平衡方程定义的含又称为热平衡含汽率，它是由热平衡方程定义的含汽率。在有热量输入汽率。在有热量输入(shr)(shr)的两相流系统中，可以的两相流系统中，可以根据输入根据输入(shr)(shr

7、)的热量得到汽相的含量。的热量得到汽相的含量。 （1 1）热力学平衡（）热力学平衡（thermodynamic equilibrium) thermodynamic equilibrium) 系统内即无压力梯度和温度梯度，且该系统内所有系统内即无压力梯度和温度梯度，且该系统内所有共存相内也无化学势梯度时的状态。满足力学平衡、热共存相内也无化学势梯度时的状态。满足力学平衡、热平衡和化学平衡。平衡和化学平衡。 （2 2）热平衡方程）热平衡方程式中，式中，i i是流道某截面上两相流体的焓值，那么是流道某截面上两相流体的焓值，那么 riixs2.2.热力学含汽率热力学含汽率x x （干度）（干度）rx

8、iis汽化汽化(qhu)(qhu)潜热潜热饱和饱和(boh)(boh)水焓水焓第八页，共31页。（3 3）讨论）讨论 当当 ，两相流动处，两相流动处于欠饱和态，于欠饱和态，过冷（欠热）沸腾过冷（欠热）沸腾(fitng)(fitng)或单相；或单相； 当当 ，两相流动处于饱和两相流动处于饱和沸腾沸腾(fitng)(fitng)，这时热平衡含汽率等于质量含汽，这时热平衡含汽率等于质量含汽率；率； 当当 ，过热蒸汽，过热蒸汽，单相汽体。单相汽体。ssttxii, 0,sssttxiii , 10 ,ssttxii , 1,第九页，共31页。 指单位时间内流过某一截面指单位时间内流过某一截面(jimi

9、n)的两相总容积中，的两相总容积中，气气相所占的比例份额。相所占的比例份额。式中，式中， ， 分别表示气相和液相介质的容积流量，分别表示气相和液相介质的容积流量，m3/s。那么，容积含液率（。那么，容积含液率（1-） 由定义，可以推出质量含气率由定义，可以推出质量含气率x与与的关系的关系3.3.容积容积(rngj)(rngj)含气率含气率 xxx1VVVVV1VVVVVV V第十页，共31页。4.4.截面截面(jimin)(jimin)含气率含气率 又称为空泡份额。指两相流某一截面上，气相所占截面与总流道截面之比。 式中， ， 分别(fnbi)表示气相和液相所占的流道截面积，m2。同理，截面含

10、液率（1-) 1AAAAAAAAA第十一页，共31页。是容积流量比，表示流过通道的气相容积份额；是容积流量比，表示流过通道的气相容积份额；是体积是体积(tj)(tj)比，表示存在于通道中的气相容积份额。比，表示存在于通道中的气相容积份额。的区别和) 1 (的关系和x,)2(111MMMxxWWxxAAAa 111（1-121-12）（1-131-13）第十二页，共31页。显然显然(xinrn)(xinrn)，对于单组分的两相流，对于单组分的两相流， 在两相流动系统中，两相之间会因物性不同在两相流动系统中，两相之间会因物性不同( (如密如密度度) )存在不同程度存在不同程度(chngd)(chn

11、gd)的滑动。引入滑速比的滑动。引入滑速比S S的概念，的概念，则两相则两相之间滑动的大小可以表示为之间滑动的大小可以表示为WSW,1,WW S,1,WW S,crPP,1,WW S第十三页，共31页。1.3 两相流的流量两相流的流量(liling)和流速和流速1.3.1 几种表达式形式几种表达式形式 1.质量流量和质量流速质量流量和质量流速 总质量流量总质量流量M：单位时间：单位时间(shjin)内流过任一横截面内流过任一横截面的气液的气液混合物的总质量混合物的总质量,kg/s. 总质量流速总质量流速G：又称为质量流密度，指流道单位截：又称为质量流密度，指流道单位截面通过的质量流量面通过的质

12、量流量,kg/m2.s.每一相的质量流速与总质量流速的关系每一相的质量流速与总质量流速的关系MMM(1)MMGGGx GxGAAMGA第十四页，共31页。2.2.容积流量容积流量(liling)(liling)、相速度和折算速度、相速度和折算速度 总容积流量(liling)：单位时间内，流过通道任一流通截面的气液混合物的总的容积，m3/s。 液相容积流量(liling)， m3/s ： 气相容积流量(liling), m3/s ：MMVVVMV MV MV MV 第十五页，共31页。 液相真实液相真实(zhnsh)(zhnsh)平均速度，平均速度，m/sm/s： 气相真实气相真实(zhnsh)

13、(zhnsh)平均速度平均速度, m/s, m/s：VMGWAA 1VMGWAA 2.2.容积流量、相速度容积流量、相速度(sd)(sd)和折算速度和折算速度(sd) (sd) MW A MW A 液相：液相：气相：气相：第十六页，共31页。 折算速度(sd)：又称容积流密度，又称为表观质量流速（superficial flow flux）, 定义为单位流道截面上的两相流容积流量，m/s。它也表示两相流的平均速度(sd)。 式中，Jg为气相折算速度(sd)，表示两相介质中气相单独流过同一通道时的速度(sd),m/s. Jf为液相折算速度(sd)，表示两相介质中液相单独流过同一通道时的速度(sd

14、),m/s.gfVVVJJJAAAgVVJWAA1fJWgJW 11fVVJWAA第十七页，共31页。讨论讨论(toln)当气液两相无相对运动当气液两相无相对运动(xin du yn dn)时时当气液两相存在相对运动当气液两相存在相对运动(xin du yn dn)，且且 ，则，则当气液两相存在相对运动当气液两相存在相对运动(xin du yn dn)，且且 ，则，则WJWWWS , 1WW WJW WWWJW第十八页，共31页。gmWWJ11fmfgAJWJWJJJJJAfmWWJgmgAJWJJJA3.3.漂移漂移(pio y)(pio y)速度和漂移速度和漂移(pio y)(pio y)

15、通量通量 漂移速度：各相真实速度与两相混合平均速度漂移速度：各相真实速度与两相混合平均速度J的差值。的差值。 气相漂移速度：气相漂移速度： 液相漂移速度：液相漂移速度：漂移通量：各相相对于两相混合平均速度漂移通量：各相相对于两相混合平均速度J运动的截面运动的截面(jimin)所流过的体积通量。所流过的体积通量。 气相漂移通量：气相漂移通量： 液相漂移通量：液相漂移通量： gmfmJJ 第十九页，共31页。 循环速度：与两相混合物总质量流量M相等的液相介质流过同一截面的通道时的速度。 循环倍率：单位(dnwi)时间内，流过通道某一截面的两相介质总质量与其中气相质量之比，也就是质量含气率的倒数。

16、4.4.循环速度循环速度(sd)(sd)和循环倍率和循环倍率 ogfMWJJA(1)fgogJJJWJ gojWxMMK1第二十页，共31页。自然循环自然循环(xnhun)(xnhun)锅炉原理锅炉原理对于沸腾通道，循环速度在对于沸腾通道，循环速度在数值上等于上升管入口处水数值上等于上升管入口处水的速度的速度 。循环倍率是指循环水流量与循环倍率是指循环水流量与蒸汽产量的比值。表示上升蒸汽产量的比值。表示上升管中实际管中实际(shj)(shj)产生一公斤产生一公斤蒸汽需蒸汽需要的循环水流量几公斤要的循环水流量几公斤第二十一页，共31页。n对于自然循环蒸对于自然循环蒸汽发生器，循环汽发生器，循环流

17、速流速(li s)是指是指上升空间通道入上升空间通道入口处饱合水的流口处饱合水的流速速(li s)。n循环倍率是指循循环倍率是指循环水流量与蒸汽环水流量与蒸汽产量的比值。产量的比值。立式立式(l sh)(l sh)自然循环蒸汽发生器自然循环蒸汽发生器第二十二页，共31页。 对于蒸汽发生器而言，其循环倍率是表征其二次侧流动状对于蒸汽发生器而言，其循环倍率是表征其二次侧流动状态的重要参数，它对于传热管的腐蚀、流动稳定、传热特性及态的重要参数，它对于传热管的腐蚀、流动稳定、传热特性及分离器工作等都有重要影响。一般认为在设计状态时应大于分离器工作等都有重要影响。一般认为在设计状态时应大于444.54.

18、5，其主要考虑的因素如下：，其主要考虑的因素如下：1.1.传热要求：为了保证管壁润湿，特别是防止局部区域出现缺液传热要求：为了保证管壁润湿，特别是防止局部区域出现缺液或干涸。一般要求管束进出口处的蒸汽含量不超过或干涸。一般要求管束进出口处的蒸汽含量不超过20%25%20%25%，相当于，相当于循环倍率大于循环倍率大于4 4。2.2.流动稳定性：循环倍率低可能流动稳定性：循环倍率低可能(knng)(knng)导致流动的不稳定，导致流动的不稳定，使流动产生振荡，这种流动振荡现象使传热效率下降，当流动振荡的使流动产生振荡，这种流动振荡现象使传热效率下降，当流动振荡的幅度足够大时，就可能幅度足够大时，

19、就可能(knng)(knng)引起水和蒸汽流量的大幅度波动。引起水和蒸汽流量的大幅度波动。 3.3.管材腐蚀：在局部滞流或低流速区，往往导致污垢沉积或浓缩。管材腐蚀：在局部滞流或低流速区，往往导致污垢沉积或浓缩。从防止腐蚀与流动的要求出发，应适当提高循环流速，以便在管板上从防止腐蚀与流动的要求出发，应适当提高循环流速，以便在管板上表面及管束弯管区提高冲刷流速。表面及管束弯管区提高冲刷流速。 第二十三页，共31页。5.5.滑移滑移(hu y)(hu y)速度和滑速比速度和滑速比 由于气体和液体的流速不同，在两相之间存在(cnzi)滑动速度(滑移速度） 气体的速度与液体的速度之比称为滑速比SWWW

20、xd aaxxWWS11aSWW , 1,aSWW , 1,竖直竖直(sh zh)(sh zh)上升流：上升流：竖直下降流：竖直下降流：第二十四页，共31页。1.4 两相介质两相介质(jizh)密度及比容密度及比容 1. 1.两相介质密度表示方法两相介质密度表示方法 1 1）两相介质的流动密度）两相介质的流动密度 单位时间内流过流道某一截面的两相介质质量单位时间内流过流道某一截面的两相介质质量(zhling)(zhling)和和体积之比。体积之比。 2 2）两相介质的真实密度）两相介质的真实密度 即单位体积内两相介质的质量即单位体积内两相介质的质量(zhling)(zhling)，反，反映了存

21、在于流映了存在于流道中的两相介质的实际密度。道中的两相介质的实际密度。1mMV1o mo第二十五页，共31页。 和和 的关系的关系(gun x)：ommo1).1).当当S=1S=1时时, , , 所以所以(suy)，均质流动，均质流动(lidng)；1S mo2). 当当时，时， ,moS1: ,则则 ,moS1: 则则第二十六页，共31页。 单位(dnwi)时间内流过流道某一截面的两相介质体积和质量之比 1) 截面平均比容vA 2) 动量平均比容vM11mmVvxvx vM11Ax v Sxvvxx S2. 2. 两相介质两相介质(jizh)(jizh)的比容的比容111Mxvxvx SS第二十七页，共31页。0.522111