第三章--多相流及其测量方法.ppt

1、1.第三章：多相流及其测量方法。1.理解多相流的概念。2.熟悉工业上常见的两相和多相流的分类和特性。3.了解多相流的基本特征参数。4.熟悉水平管道中两相流的主要流型。5.了解两相流主要参数的测量方法。主要内容如下：2 .物理学：自然界的物理状态，如固体、液体和气体；热力学：物体的每个均匀部分都可以有固相、液相和气相，它们统称为单相物体；动力学：一组具有相似动力学性质的物体，其中一种状态可以是单相或多相，通常是指具有相同组成和物理化学性质的均匀材料部分，也应该是单一物质状态，如固体、液体和气体。气体或液体在各部分的均匀流动可称为单相流；在多相流的研究中，通常称之为固相、液相和气相。一般来说，相之

2、间有明显可分离的界面。多相流是指一种特殊的流动问题，它必须考虑两相共存且有明显流动界面的混合流的动力学关系。3.1多相流的概念，1。阶段概念，2。多相流、单相流和多相流的介绍：在物理学中，物质有四种状态或四个相：固体、液体、气体和等离子体。如果不考虑电磁特性，等离子体相也可以并入气相。单相流：单相物质的流动称为单相流，两种均匀混合的气体或液体的流动也属于单相流。多相流：同时具有两相或多相的物质的混合流是两相或多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅通过物质的状态来区分，而且通过它们的化学成分、尺寸和形状来区分，即具有不同化学成分、尺寸和形状的物质可以属于不同的相。在两相流的研究中，物质被分为连续

3、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。由流体相和颗粒相组成的流动称为两相流。颗粒相可以是具有不同状态、不同化学成分、不同尺寸或不同形状的颗粒。有时，这种两相流被称为多相流。3.1多相流及其特性简介，两相流可以是同向的“同向流”，也可以是反向的“逆向流”，以及两种流之间的流动，如气液两相流，其中液相的平均速度为零或液相的平均速度垂直于气相的速度。4、3.2常见多相流的分类和特征，1、常见两相和多相流，(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。(1)气液

4、两相流气体和液体物质混合在一起流动，称为气液两相流。分为单一组分(如水-蒸汽-蒸汽-液体两相流):蒸汽和液体具有相同的化学组成，蒸汽-液体两相流会随着压力和温度的变化而发生相变，即部分液体会汽化成蒸汽或部分蒸汽冷凝成液体；双组分化学组成(如空气-水-气-液两相流):两相具有不同的化学组成，气-液两相流在流动过程中一般不发生相变。根据不同传热条件，可分为不与外界进行热交换如加热或冷却的绝热多相流或进行热交换的多相流。3.2常见多相流的分类和特征，6，第1章，(2)气固两相流称为气固两相流。气固两相流在自然界和工业过程中随处可见：空气中夹带的灰粒和灰尘、沙漠沙、飞雪、冰雹、气力输送、气流干燥、煤粉

5、燃烧、石油催化裂化、矿物流化焙烧、气力浮选、流态化等工艺或技术广泛然而，当流体中存在大量的小固体颗粒时，如果流体的流速足够大，这些固体颗粒的特性与普通流体的特性相似，也就是说，这些固体颗粒可以被认为是假流体，在适当的条件下可以被视为流体流。在流体力学中，虽然流体分子之间有间隙，但人们总是把流体看作是一种连续的介质，它充满整个空间，没有间隙。由于两相流的研究不是单个粒子的运动特性，而是大量粒子的统计平均特性，虽然粒子的数密度(每单位体积混合物的粒子数)远远小于每单位体积的流体分子数(在标准状态下，每立方厘米体积的气体分子数为2.71019)，当存在许多悬浮粒子时，人们仍然可以假设分散在流体中的粒

6、子是填充整个空间而没有间隙的流体。3.2常见多相流的分类和特征；7.第一章引入伪流体假设后，气固两相流就像两种流体混合物的流动一样，可以用流体力学和热力学的方法求解，从而大大简化了两相流的研究。然而，伪流体不是真实的流体，粒子和气体分子之间、两相流和连续介质流之间有许多区别。因此，在使用拟流体假设时应特别注意适用条件：(1)气体分子与悬浮粒子的主要区别在于气体分子之间的强相互作用和粒子之间的弱相互作用；(2)气体的体积，它的温度；当v，它的t时，悬浮在气体中的粒子只能在气体粘滞力的作用下运动，但粒子t不随粒子v而变化；(3)气体分子的热运动可以产生压力，但粒子布朗运动产生的压力很小。(4)气体

7、中的扰动通过压力波(分子间相互作用)传播，而粒子中的扰动只能沿着粒子轨迹传播；(5)气体可以膨胀和压缩，其比热可分为恒压比热和定容比热，但固体颗粒只有一个比热；在处理颗粒相的运动时，有些方面认为它是流体，但其他方面必须考虑颗粒相本身的特性。3.2常见多相流的分类和特征，8。在第一章中，根据拟流体假设，颗粒相的密度可以定义为连续介质的密度：对于气体，为了得到小于1%的统计平均波动，极限体积应该包含104个气体分子。在标准状态下，含有104个气体分子的体积为0.1um3。在实际工程应用中，这个体积比气体流动系统的特征尺寸小得多，所以这个体积可以看作一个点，所以气体可以看作是一种连续介质。对于两相流

8、，以悬浮在空气中的煤粉颗粒为例，当气固比为1时，含有104个颗粒的立方体的边长与粒径之比为102，当煤粉颗粒的直径为100um时，立方体的边长为1cm，远远大于标准状态下的气体极限体积。然而，如果流动系统的特征尺寸比这个尺寸大得多，则体积仍可被视为一个点，而粒子则视为一种连续介质。3.2常见多相流的分类和特征，9。在第一章中，在气体动力学中，通常认为连续性假设仅在/S0.01(其中S是气体分子的平均自由行程，S是流动系统的特征尺寸)时使用。在两相流中，由于粒子的弱布朗运动，可以考虑L/S0.01，其中L是粒子质心之间的距离。例如，当煤粉通过管道输送时，已知颗粒之间的距离为10-3m，因此尝试寻

9、找伪流体假设成立的最小管道直径。解决方案：以管径作为流体系统的特征尺寸，拟流体假设的最小管径为：D=1/0.01=10-3/0.01=0.1m，3.2常见多相流的分类和特征，10。第一章，固体颗粒的尺寸、形状和分布是颗粒相的重要物理特征参数，颗粒的形状和尺寸与颗粒的形成密切相关：破碎形成的颗粒基本保持晶体形状；玻璃颗粒颗粒尺寸的统计分布：颗粒数分布密度根据颗粒尺寸，颗粒质量分布密度根据颗粒尺寸，颗粒相尺寸呈正态分布，颗粒相的平均尺寸表示为线性平均颗粒尺寸，表面积，体积表面积，平均颗粒尺寸，质量平均颗粒尺寸，3.2普通多相流的分类和特性，11，(3)液固两相流，其中液体和固体颗粒在一些普通流中混

10、合，称为液固两相流。自然界和工业中的典型例子包括河流和海水携带的沉积物，水力输送广泛用于电力、化学工业、采矿、建筑和其他工业项目，以及泥浆流如纸浆、纸浆、泥浆和粘液。火电厂锅炉水力排渣管道中水渣混合物的流动和污水处理排放管道的流动也属于液固两相流的范畴。(4)液-液两相流两种不混溶的液体混合在一起的流动称为液-液两相流。油田开发和地面运输中的油水两相流、分离和污水处理、化学工业中的乳状液流、物质净化和提取中的大量液-液混合流都是液-液两相流的工程实例。(5)气-液-液、气-液-固和液-液-固多相流气体、液体和固体颗粒混合在一起的流动称为气-液-固三相流；气体和两种不混溶的液体混合物的共同流动称

11、为气-液-液三相流动。两种不混溶的液体和固体颗粒混合在一起的共同流动称为液-液-固三相流动。原油水、气和砂粒三相以上的混合物在油田的油井和井口中流动，在石油加氢反应器、化学合成反应器和生化反应器中的浆态床和悬浮床中存在多相流，如气-液-固流、液-固流、气-液-液流等。3.2常见多相流的分类和特征，12.3。两相流力学发展简史，两相流现象在自然界和生产实践中无处不在。两相流力学在20世纪60年代开始迅速发展，并在8090年代逐渐形成一个新的分支。然而，很久以前在生产和生活中就遇到了与两相流有关的问题，并提出了各种解决方案，积累了大量的经验。自18世纪中叶瓦特发明蒸汽机以来，由于缺乏对气液两相流动

12、和传热的认识，发生了许多工业事故，如早期一些蒸汽船和蒸汽机车的锅炉爆炸，促使人们研究锅炉中水的循环和传热。1877年，博姆西内系统地研究了明渠水流中泥沙的沉积和输运。19世纪末20世纪初，一些论文讨论了船用锅炉水循环和传热的特点，也有一些论文讨论了气液两相流体流动的脉动。1910年，马洛克研究了声波在泡沫液体中传播的强度衰减。1920-1940年间，发表了关于锅炉水循环中气液两相流不稳定性和气液两相流的经典研究论文。然而，许多经验和研究成果分散在各个生产部门，很少交流。20世纪40年代以后，我们有意识地总结了遇到的各种现象和规律，并从两相流的统一观点出发，对它们进行了系统的分析和研究。“两相流

13、”一词自1949年以来就出现在文献中。3.2常见多相流的分类和特征。20世纪30年代和50年代以后，随着电力工业中高温、高压和高参数的引入以及航空航天工业和商用核电厂的发展，大量关于气液两相流和传热的研究论文开始出现，关于两相流边界层、声波在两相混合介质中的传播、空化理论、流化技术和喷嘴流动的研究论文也显著增加。从1948年到1949年，IAckhart和Martinelli先后提出了计算气液两相流摩擦阻力的Lockhart-Martinelli参数和经验方法。1954年，贝克提出了第一个气液两相流流型图。1956年，英格博研究了pa的阻力系数之间的差异自20世纪60年代以来，越来越多的学者从

14、不同角度探索描述两相流运动规律的基本方程。早期作品包括大理石(1963)、默里(1965)、潘顿(1968)等。自20世纪60年代以来，有关两相流、传热和测量的专著相继问世，如童(1965)、伊(1965)、苏(1967)和伯格斯(1969)。沃利斯(1969年)、休伊特(1970年)、科利尔(1972年)、石井(1975年)、徐(1976年)、派(1977年)、巴特沃斯(1977年)、拉希(1977年)、休伊特(1978年)、鲁丁格(1980年)、韦齐洛格鲁(1980年)、贝格尔斯(1981年)、阿扎贝尔(1981年)、赫茨罗尼(1982年)、齐索姆(1983年)等。inter-I多相流也成

15、立于1974年，第一本多相系统手册于1982年出版。20世纪80年代以来，国内先后出版了等(1981)、陈等(1985、1989、1991、1993、1995、1999)和林宗虎(1987、1988、1999)、方定西(1988)、周强泰(1990)、等(1991)、吕燕珊(1992)、刘3.2常见多相流的分类和特征，14.4两相流的研究方法和理论模型。从理论上讲，流体力学的基本方程可以应用于多相流。然而，在多相流中，应列出各相的守恒方程，并考虑两相之间的相互作用。因此，描述多相流的方程比描述单相流的方程复杂得多。多相流的分析和研究要比单相流复杂和困难得多。目前，多相流的分析方法大多是单相流分

16、析方法的延伸。研究多相流有两种观点：将流体视为连续介质和颗粒(一般称为气泡、固体颗粒等)。)作为离散系统，并讨论粒子动力学、粒子轨迹等。除了作为连续介质的流体之外，粒子群被认为是伪连续介质或伪流体，并且假设它在空间中具有连续的速度和温度分布以及等效的输运性质(粘度、扩散、热传导等)。)。应用理论模型：单流体模型、双流体模型、分散粒子群轨迹模型等。研究多相流的方法：经验关系分析法现象学方法，3.2常见多相流的分类和特征，15。根据实验数据建立经验关系表达式：将工业试验结果、半工业试验结果或实验室试验结果组织成经验关系表达式或图表。实施步骤：收集测试或现场数据；建立系统变量的任意或半任意相关方程；使用任何常数或函数，使方程符合实际数据；根据得到的方程预测其他情况。工程设计中常用方法的优点：计算简单、快速，可能相当准确。缺点：它是有限的，只能在指定的范围内使用，但不能外推。只有当设计对象和获得关系表达式的条件相同时，才能获得好的结果；经验关系法不能揭示问题的物理本质，也不能得到改进设计的方向。随着多相流体力学的发展，这种方法将被淘汰。例如，在气液两相沸腾传热中的一些