气液两相流ppt课件

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1、气液两相流,主 讲： 谷 海 峰 Email ： 2010.03,课程简介,学时：40 学时 学分：2.5 性质：专业基础课,反应堆热工水力、核动力设备,流体力学 传热学 工程热力学,两相流动 与传热,考核方式：,闭卷答题+平时成绩,参考教材：,两相流与沸腾传热，徐济鋆编，原子能出版社。 两相流与传热D.巴特沃思等编，陈学俊，陈听宽，曹柏林译，原子能出版社。 两相流与沸腾传热，鲁钟琪编，清华大学出版社。,课程目录,第一章 两相流基本参数及其计算方法（4学时） 第二章 两相流的流型和流型图（6学时） 第三章 两相流的基本方程（4学时） 第四章 截面含气率的计算（8学时） 第五章 直管的两相流压降

2、计算（10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（4学时） 第八章 两相流流动不稳定性（2学时）,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,第一章 两相流基本参数及其 计算方法,1.1 基本概念,1.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、液态和固态。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。,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 基本概念,2.相：通常指某一系统中具有相同

3、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。 3.辨别单相体系与两相体系 是否系统内各部分的性质均匀 是否存在明显的相间界面 4.两相流：任意两个相组合在一起、且具有相间界面的流动体系。,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，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

4、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,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 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（thermod

5、ynamic equilibrium) 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 （干度）,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

6、的关系,3.容积含气率,4.截面含气率,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,1.3 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

7、,kg/s. 总质量流速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,2.容积流量、相速度和折算速度,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。 液相容积流量， m3/s ： 气相容积流量, 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,液相：,气相：,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

8、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 当气液两相存在相对运动，且 ，则,3.漂移速度和漂移通量,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：,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

9、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合水的流速。 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。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

10、，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.滑移速度和滑速比,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

11、,1.两相介质密度表示方法 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,，,。,两相流特性参数的分类 (1) 流动参数： 可根据物质平衡或热平衡关系计算得到的参数,(2) 真实流动特性参

12、数： 代表流体流动时真实流动特性的参数，这类参数与两相流体的相对运动有关，有,本章小结,1. 何谓两相流？ 两相流的分类？ 2. 有关含气率、速度、密度、比容定义及计算式。 3. 两相流特性参数的分类 4. 何谓热平衡？ 5. 滑速比与各参数的关系,作业：,1-4,不考虑两相间的相对滑移时,考虑两相间的相对滑移时,第五章 直管的两相流压降计算,？,序,两相流流动压降计算的重要性 两相流流动压降计算的局限性 本章主要内容 1. 两相流摩擦压降的计算模型； 2. 影响两相流摩擦压降的主要因素； 3. 重位压降和加速压降的计算； 4. 环状流动的压降计算。,两相摩擦压降,单相摩擦压降,折算因子,计算

13、模型,均相流模型,分相流模型,方法、 经验公式,重点 难点,5.2 均相流模型的摩擦压降计算,一.均相流模型计算法,两相摩擦压力梯度 对于圆管，控制体周界长度(m)： 通流面积(m2)： 流体与壁面的摩擦剪应力(N/m2)：,全液相摩擦压力梯度 与两相流总质量流量相同的液体流过通道时的压力梯度,全液相摩擦压降 梯度,单相水的摩阻系数一般按布拉修斯（Blasius） 公式计算,全液相折算系数的求解,全液相折算系数,（1）令,两相平均粘度满足以下边界条件,（2）平均粘度法,把两相流体看作一种特殊的单相流体， 采用平均粘度来计算两相流体的等效摩阻系数,麦克达姆（Mecadam）计算式，应用最广,西克

14、奇蒂（Chcchitti）计算式,德克勒（Dukler）计算式,代入（5-8）式,班可夫（Bankoff）计算式,计算 的步骤总结 1.求 (1) (2) 2.求 3.求,1.绝热、长度L的圆管内， 两相流动摩擦压降 2.非绝热 均匀加热 正弦加热,计算管长为L的一段圆管内的摩擦压降,例题：设油气混合物在一内径为40mm的水平直管内流动，试按均相流模型计算两相摩擦压降梯度。 已知油气混合物的参数为：,解：（1）全液相摩擦压降梯度,全液相摩阻系数：,（2）全液相折算系数,（3）油气两相摩擦压降梯度,例：已知一均匀受热的试验段长为3.66m，管子内径为0.16mm，进口水温为204oC,压力为6.

15、89MPa,试验段直立布置，管子进口水流量为0.108kg/s，加热功率为100KW，试用均相模型计算试验段内的摩擦阻力压降。 已知：压力为6.89MPa下 饱和水焓为1.26MJ/kg, 入口水焓值为0.872MJ/kg. 入口水比容为1.16510-3m3/kg, 饱和水的比容为1.3510-3m3/kg， 蒸汽比容为2.7810-2m3/kg. 入口水的动力粘度为1.3510-4N.s/m2, 饱和水的动力粘度为0.97210-4N.s/m2, 蒸汽动力粘度为0.1910-4N.s/m2。,解：由于入口水的焓值低于饱和水的焓值，因此入口为欠饱和水。则试验段内的摩 擦阻力压降应由单相水的摩

16、擦阻力压降和气液两相摩擦阻力压降两部分组成。,1.单相水的摩擦阻力压降,（1）根据热平衡方程，定出预热段长度，即单相水段的长度,由于沿管长均匀加热，因此,（2）单相水摩擦阻力系数,（3）单相水摩擦阻力压降,2. 汽水混合物管段的摩擦阻力压降,（1）全液相摩擦压降梯度,（2）全液相折算系数,（3）气液两相摩擦阻力压降,3. 按均相流模型法计算得到的试验段内摩擦阻力压降,同样，也可以以气相摩擦压降计算为基础，计 算两相摩擦压力梯度。 全气相折算系数可定义为,全气相摩擦压降 梯度,二.前苏联锅炉水动力计算标准方法,K-绝对粗糙度；碳钢、珠光体钢K=0.08mm; 不锈钢K=0.01mm。,1950年,水平管：偏差20%，垂直管：偏差较大