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1、Nuclear Reactor Thermohydraulics 反应堆热工水力学第九讲反应堆热工水力学第九讲（20102011学年第一学期）主讲：杨波学年第一学期）主讲：杨波20 0 引言引言1 1 流型流型2 2 两相流模型两相流模型3 3 混合物模型压降计算混合物模型压降计算4 4 临界流临界流3引言引言本讲将解决单元两相流的水力分析问题，其核心在于压降的计算。核能系统的两相流分析尚处于发展阶段，远未成熟，甚至连术语至今仍未统一。本讲尽可能选取原理最为清晰直观的基础部分加以阐述。本讲将解决单元两相流的水力分析问题，其核心在于压降的计算。核能系统的两相流分析尚处于发展阶段，远未成熟，甚至连
2、术语至今仍未统一。本讲尽可能选取原理最为清晰直观的基础部分加以阐述。41 流型流型 流型流型流型流型(flow regime)(flow regime)的变化，表面上是流动形态的变化，实质上反映了流体动量传递、热量传递特性的变化。的变化，表面上是流动形态的变化，实质上反映了流体动量传递、热量传递特性的变化。 单相流流型只分为层流和湍流单相流流型只分为层流和湍流 两相流流型则要复杂得多：两相流流型则要复杂得多：两相交界面的变化与组合是主因，因为会产生完全不同的流动和传热特性，至于每一相是层流还是湍流反而并不重要。两相交界面的变化与组合是主因，因为会产生完全不同的流动和传热特性，至于每一相是层流还
3、是湍流反而并不重要。51.1 垂直通道垂直通道1.1.1 两相同向向上流动的流型两相同向向上流动的流型 图图6-6，130页。页。61.1 垂直通道垂直通道 In vertical heated tube, the heat transfer of gas-liquid two phase flow is a complicated heat transfer process which includes various flow regimes i. e. single-phase flow, bubble flow, slug flow, churn flow, and annular f
4、low. 7泡状流泡状流泡状流泡状流(bubble flow)(bubble flow)：液相呈连续状态，气相以大小不同、形状各异的气泡弥散在连续液相内，并与液相一起流动。液相呈连续状态，气相以大小不同、形状各异的气泡弥散在连续液相内，并与液相一起流动。 直径直径1 mm以下的气泡基本呈球形以下的气泡基本呈球形表面张力的作用表面张力的作用8补充：表面张力补充：表面张力 液体表面具有一种不同于液体内部的特殊性质：液体内部，相邻微元间相互作用表现为压力，而界面上却表现为张力，由此引起弯曲液面内外出现压强差以及常见的毛细现象、气泡液体表面具有一种不同于液体内部的特殊性质：液体内部，相邻微元间相互作用
5、表现为压力，而界面上却表现为张力，由此引起弯曲液面内外出现压强差以及常见的毛细现象、气泡-液滴现象等。液滴现象等。 表面张力表面张力表面张力表面张力(surface tension)(surface tension)，设想在液体表面划一截线，截线两边液面存在相互作用的拉力，方向与截线垂直并与该处液面相切。，设想在液体表面划一截线，截线两边液面存在相互作用的拉力，方向与截线垂直并与该处液面相切。9 实验表明，表面张力实验表明，表面张力T的大小与截线长度的大小与截线长度L 成正比，比例系数成正比，比例系数称称表面张力系数表面张力系数表面张力系数表面张力系数(surface tension coef
6、ficient)(surface tension coefficient)： 表面张力系数与液体种类、液体相邻物质种类以及温度有关。表面张力系数与液体种类、液体相邻物质种类以及温度有关。TL=101112 从微观角度看，表面张力并不在一个真正的几何面上，而是在一个厚度为分子有效作用距离的薄层从微观角度看，表面张力并不在一个真正的几何面上，而是在一个厚度为分子有效作用距离的薄层(10-9m)上，该层称为表面层。上，该层称为表面层。13 表面层上任意一个分子表面层上任意一个分子B，以其分子力有效作用距离为半径作球，与，以其分子力有效作用距离为半径作球，与A相比，能吸引它的分子数较少，故引力合力向下
7、；至于斥力，由于作用距离很短，除极表面以外，相比，能吸引它的分子数较少，故引力合力向下；至于斥力，由于作用距离很短，除极表面以外，B 与与A并无不同。并无不同。 斥力与引力这种差别导致了表面张力的产生。斥力与引力这种差别导致了表面张力的产生。14补充：表面张力补充：表面张力 毛细现象毛细现象毛细现象毛细现象(capillarity; (capillarity; capillary capillary phenomenophenomeno n)n)：细管插入液体后水面会升高或下降的现象。：细管插入液体后水面会升高或下降的现象。151.1 垂直通道垂直通道弹状流弹状流弹状流弹状流(slug flo
8、w)(slug flow)：大块的弹状气泡与含有弥散小气泡的液块间隔出现，在弹头气泡的外围，液相呈降落膜状态。：大块的弹状气泡与含有弥散小气泡的液块间隔出现，在弹头气泡的外围，液相呈降落膜状态。 在泡状流动下，气相流量增大到一定值在泡状流动下，气相流量增大到一定值时将发生气泡聚合，甚至会聚合成接近管径大小的弹状气泡。时将发生气泡聚合，甚至会聚合成接近管径大小的弹状气泡。 Radovcich和和Moissis认为：当认为：当0.1时，气泡碰撞频率较低；大于此临界值，碰撞频率骤增；当时，气泡碰撞频率较低；大于此临界值，碰撞频率骤增；当= 0.3时，过渡为弹状流。时，过渡为弹状流。16搅状流搅状流搅
9、状流搅状流(churn flow)(churn flow)：液相以不定形状作上下振荡运动， 呈搅拌流状态。：液相以不定形状作上下振荡运动， 呈搅拌流状态。 在弹状流动下，流速增大到一定程度在弹状流动下，流速增大到一定程度时将发生气泡破裂，伴随发生此种振荡。但在孔径较小的流道中不一定会发生，可能会直接过渡到环状流。时将发生气泡破裂，伴随发生此种振荡。但在孔径较小的流道中不一定会发生，可能会直接过渡到环状流。17环状流环状流环状流环状流(annular flow)(annular flow)：液相沿管壁呈膜状流动，气相在流道芯部流动。：液相沿管壁呈膜状流动，气相在流道芯部流动。 在弹状流动下，流速
10、的进一步增大在弹状流动下，流速的进一步增大会使弹状气泡首尾相连而成连续会使弹状气泡首尾相连而成连续“气芯气芯”。 实际上，纯环状流的工况参数范围很窄，通常呈环状弥散流状态，即部分液相以液滴状态混杂在连续气芯中一起流动，而液膜中也会夹杂少量气泡。实际上，纯环状流的工况参数范围很窄，通常呈环状弥散流状态，即部分液相以液滴状态混杂在连续气芯中一起流动，而液膜中也会夹杂少量气泡。18此外：此外： 在环状流动下，液相流速的进一步增大会使气液交界面剧烈波动在环状流动下，液相流速的进一步增大会使气液交界面剧烈波动，气芯内会有大量液滴聚合成束状液块，有的文献称之为，气芯内会有大量液滴聚合成束状液块，有的文献称
11、之为液束环状液束环状液束环状液束环状流流流。流。 两相同向向下的流动与以上流型相似，不同之处在于：泡状流的气泡趋于集中在流道轴线区域；弹状流的气块顶部呈穹形，下部扁平，且有小气泡组成的尾流。两相同向向下的流动与以上流型相似，不同之处在于：泡状流的气泡趋于集中在流道轴线区域；弹状流的气块顶部呈穹形，下部扁平，且有小气泡组成的尾流。191.1 垂直通道垂直通道1.1.2 液膜流向的判别液膜流向的判别 以上的流型区分针对于以上的流型区分针对于“两相同向流动两相同向流动”，实际上，环状流的气相向上流速较小时，液膜会向下流动，而气相流速增大到一定值时，液膜又会转变方向向上流动。，实际上，环状流的气相向上
12、流速较小时，液膜会向下流动，而气相流速增大到一定值时，液膜又会转变方向向上流动。 由此将造成压降、传热特性的区别，故有必要进行判别。由此将造成压降、传热特性的区别，故有必要进行判别。201.1 垂直通道垂直通道图图6-7 (p130)211.1 垂直通道垂直通道空气流量增大空气流量减小空气流量增大空气流量减小液膜流速液膜流速22 由上可见，空气的流量是液膜流向的决定因素。由上可见，空气的流量是液膜流向的决定因素。 定量地确定转变流量，有两种方法，相应地定义两个无量纲数：定量地确定转变流量，有两种方法，相应地定义两个无量纲数：WallisWallis数：数：数：数：KutateladzeKuta
13、teladze数：数：数：数： () 0.5+k kk lvjjgD - () 0.5k kklvKuj g - 表面张力系数表面张力系数表面张力系数表面张力系数23 Wallis推荐用下式确定转变流量：推荐用下式确定转变流量： 对于管对于管5内的向下转变，有：内的向下转变，有： 其中其中m，C是与管道出口状况有关的常数，出口作过圆角处理：是与管道出口状况有关的常数，出口作过圆角处理：m = 1，C = 0.9出口无圆角处理：出口无圆角处理：m = 1，C = 0.725 0.50.5+ vlj+ m j= C 0.5=+ vj241.1 垂直通道垂直通道251.1 垂直通道垂直通道 Push
14、kina和和Sorokin对直径为对直径为6 mm 309 mm的管内空气的管内空气-水进行流动实验后认为，向上转变和向下转变都满足：水进行流动实验后认为，向上转变和向下转变都满足：vKu = 3.2 () 0.5k kklvKuj g - 261.1.3 流型判别图流型判别图 这是综合表示各种流型间过渡关系的一种简便方法，实质反映了各种力平衡关系的变化。这是综合表示各种流型间过渡关系的一种简便方法，实质反映了各种力平衡关系的变化。 各种流型图有各自的适用范围。各种流型图有各自的适用范围。 目前还没有真正通用的流型判别图，这是很自然的，因为描述两相流形态的变量一般要目前还没有真正通用的流型判别
15、图，这是很自然的，因为描述两相流形态的变量一般要12个，难以用二维坐标表达。个，难以用二维坐标表达。27Hewitt-Roberts流型图：流型图： 实验条件：实验条件：0.14 0.54 MPa，31.2 mm直径管内的空气直径管内的空气-水垂直向上流动。水垂直向上流动。 适用范围：除实验条件外，还适用于：适用范围：除实验条件外，还适用于：3.45 6.90 MPa，12.7 mm直径管内的水蒸汽直径管内的水蒸汽- 水两相流垂直向上流动。水两相流垂直向上流动。28（p132)291.1 垂直通道垂直通道Taitel流型图：流型图： 实验条件：实验条件：25，0.1 MPa，空泡份额达到，空泡份额达到0.25，管内的空气，管内的空气-水垂直向上流动。水垂直向上流动。 适用范围：目前试验验证结果尚不多。适用范围：目前试验验证结果尚不多。301.1 1.1 垂直通道垂直通道垂直通道垂直通道（p132)311.1 垂直通道垂直通道 A线：线： B线：线： C线：线： D线：线： () 1/4lvl 1/2 vvlg - j= 3-1.15jj ()()0.4460.0890.429 llv lv0.072 llD/g - j+ j= 4v vvlj= = 0.52j+ j 1/2 vv v1/4lvj= Ku = 3.1
