哈工程两相流第1章.ppt

1、气液两相流,主 讲： 范广铭 核科学与技术学院 2011.03,课程目录,第一章 两相流基本参数及其计算方法（3学时） 第二章 两相流的流型和流型图（4学时） 第三章 两相流的基本方程（3学时） 第四章 截面含气率的计算（7学时） 第五章 直管的两相流压降计算（8学时） 第六章 两相流局部压降计算（2学时） 第七章 两相临界流动（3学时） 第八章 两相流流动不稳定性（2学时）,课程重点,熟练掌握两相流基本参数的定义，表达式及计算方法。 掌握绝热与非绝热垂直与水平管内各种流型的基本特征，能用流型图判别流型，了解流型过渡的判别条件。 对截面含气率的三类计算方法有明确的认识，掌握用漂移流模型计算截面

2、含气率的方法，了解欠热沸腾区截面含气率的计算过程。 掌握用均相流模型及分相流模型计算直管内的摩擦压降、重位压降及加速度压降的方法。了解影响摩擦压降的主要因素。 能计算热平衡条件下受热及不受热流道的两相总压降。 能分别用三个模型计算长孔道内临界质量流速，掌握短孔道内临界流的特征及临界质量流速的计算。,1.1 基本概念 1.2 气相介质含量 1.3 两相流的流量和流速 1.4 两相介质密度及比容 1.5 加热通道内沸腾段长度的确定,第一章 两相流基本参数及其计算方法,1.1 基本概念,1.相：通常指某一系统中具有相同成份和相同物 理、化学性质的均匀物质成份，各相之间有明显 的界面。宏观上可以把物质

3、分为三相：即气相、液相、固相。 2.单相流：单相物质的流动。 3.两相流：固体、液体、气体三个相中的任何两个 组合在一起、具有相间界面的流动体系。 4.两相流的分类：气液两相流、气固两相流、液固 两相流、液液两相流。 5.多相流,1.1 基本概念,判断：下列体系哪些是单相的？哪些是两相的？ 1、水和水蒸汽 4、有沙粒的小溪 2、盐水溶液 5、油水混合物 3、氢气和氮气 6、水和冰,1.1.1 两相流的分类,（1）按化学成份分为 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-水蒸汽、钠-钠蒸汽及冰 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 一个系统内的流动

4、，如空气-水，油-水，烟-气等。 （2）按流道是否存在热交换可分为 绝热两相流无相变，无相间质量交换。如汽水 分离。 加热两相流有相变，有相间质量交换。如沸 腾，冷凝。,1.1.1 两相流的分类,（3）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 气固两相流：风沙，烟气 液固两相流：血液流动 液液两相流：两种不相溶的液体，油水混合物,气液两相流在核能、热能及大量工业设备中广泛存在，如核反应堆、蒸汽发生器等设备、锅炉、冷凝器、石油输送管道和气液分离器等。 两相流具有复杂性，多变性的特点，测量手段有限，两相流的研究充满挑战。 气液两相流是流体力学的一个分支，可在单相流体力学研究的基

5、础上，考虑气液两相之间的相互作用，并引入一些两相流动参数，解决两相流现象中的相关问题。,1.1.2 研究气液两相流的目的及解决方法,1.2.1 定义 气相介质含量表示两相流中气相所占的份额。 1.2.2 几种表示方式 1.质量含气率x （干度） 单位时间内，流过通道某一截面的两相流体总质量M中气相所占的比例份额。 式中， 、 分别表示气相和液相的质量流量，kg/s。 那么，质量含液率(湿度)可以表示为,1.2 气相介质含量,又称为热平衡含汽率，它是由热平衡方程定义的含汽率。在有热量输入的两相流系统中，可以根据输入的热量得到汽相的含量。 （1）热力学平衡（thermodynamic equili

6、brium) 系统内既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、热平衡和化学平衡。 （2）热平衡方程 式中，i是流道某截面上两相流体的焓值，那么,2.热力学含汽率x,汽化潜热,饱和水焓,（3）讨论 当 ，两相流动处于欠饱和态， 过冷（欠热）沸腾或单相； 当 ，两相流动处于饱和 沸腾，这时热平衡含汽率等于质量含汽率； 当 ，过热蒸汽，单相汽体。,指单位时间内流过某一截面的两相总容积中，气 相所占的比例份额。 式中， ， 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（1-） 由定义，可以推出质量含气率x与的关系,3.容积含气率,4.截面含气

7、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， ， 分别表示气相和液相所占的流道 截面积，m2。同理，截面含液率（1-),是容积流量比，表示流过通道的气相容积份额； 是体积比，表示存在于通道中的气相容积份额。,（1-12）,（1-13）,显然，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(如密 度)存在不同程度的滑动。引入滑速比S的概念，则两相 之间滑动的大小可以表示为,（1-15）,1.3 两相流的流量和流速,1.3.1 几种表达式形式 1.质量流量和质量流速 总质量流量M：单位时间内流过任一横截面的气液 混合物的总质量,kg/s. 总质量流

8、速G：又称为质量流密度，指流道单位截 面通过的质量流量,kg/m2.s. 每一相的质量流速与总质量流速的关系,总容积流量：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。 液相真实平均速度，m/s： 气相真实平均速度, m/s：,2.容积流量、相速度和折算速度,折算速度：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。 式中，Jg为气相折算速度，表示两相介质中气相单独流 过同一通道时的速度,m/s. Jf为液相折算速度，表示两相介质中液相单独流 过同一通道时的速

9、度,m/s.,讨论,当气液两相无相对运动时 当气液两相存在相对运动，且 ，则,漂移速度：各相真实速度与两相混合平均速度J的差值。 气相漂移速度： 液相漂移速度： 漂移通量：各相相对于两相混合平均速度J运动的截面 所流过的体积通量。 气相漂移通量： 液相漂移通量：,3.漂移速度和漂移通量,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。欠热沸腾时循环速 度在数值上等于通道入口处水的速度 。 循环倍率：单位时间内，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。,4.循环速度和循环倍率,自然循环锅炉原理,对于沸腾通道，循环速度在 数值上

10、等于上升管入口处水 的速度 。 循环倍率是指循环水流量与 蒸汽产量的比值。表示上升 管中实际产生一公斤蒸汽需 要的循环水流量几公斤,对于自然循环蒸汽发生器，循环流速是指上升空间通道入口处饱和水的流速。 循环倍率是指循环水流量与蒸汽产量的比值。,立式自然循环蒸汽发生器,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 分离器工作等都有重要影响。苏联早期的文献，曾推荐取循环 倍率大于23，但随着运行实践经验的积累，目前各国倾向于 提高循环倍率，一般认为在设计状态时应大于44.5，其主要 考虑的因素如下： 1.传热要求：为了保证管壁润湿，特别

11、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20%25%，相当于循环倍率大于4。 2.流动稳定性：循环倍率低可能导致流动的不稳定，使流动产生振荡，这种流动振荡现象使传热效率下降，当流动振荡的幅度足够大时，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波动。 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。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。,5.滑速比,由于气体和液体的流速不同，在两相之间存在滑动速度(滑移速度） 气体的速度与液体的速度之比称为滑速比S,竖直上升流：,竖直下降流：,1.4 两相介质密度及比容,1.两相介质密

12、度表示方法 1）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和 体积之比。 2）两相介质的真实密度 即单位体积内两相介质的质量，反映了存在于流 道中的两相介质的实际密度。,和 的关系：,1).当S=1时, 所以,，均质流动；,2). 当,时，,S1:,则,S1:,则,单位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vM,2. 两相介质的比容,3）动能平均比容vE,对比上面四种比容表达式,当S=1时，则有,，,。,1.均匀加热,1.5 加热通道内沸腾段长度的确定,均匀加热通道内含汽率的变化,沸腾段长度的确定实际上就是确定沸腾起始 面，它与加热方式及来流温度有关。 目的：为了确定分区,2.正弦加热,正弦加热通道内含汽率的变化,本章小