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摩擦压降及环状流解析计算

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摩擦压降及环状流解析计算_第1页
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1.摩擦压降计算:直径D=5.08cm管子,P=180bar,进口流量W=2.14kg/s,进口为饱和水,粗糙管兰=0.002岀口干度DXe=0.1825,管长100m,求两相流的摩擦压降Pf分别用M—N法、Chisholm方法(经验的C公式)、苏联78年计算标准、我国水动力计算方法)解:由P=180bar,查水蒸气饱和曲线得:33饱和水和饱和蒸气密度分别为Pl=543.671kg/mPg=133.357kg/m;饱和水的动力粘度为叽=62.1810_6kg/(m・s)求得质量流速为:(1)M-N方法:临二奇7")式中洱、■■■:P0分别为两相压降和假设管内全部为水时的压降由P=18MPa和x=0.1825查得Martinelli_2心Pf2—Nelson的「L0f(x,p)关系图,得昇丄0=1.95△F0管内充满水时,摩擦阻力系数0.3164、0.25PmVmD片丿0.3164S.0508X1053.267厂V62.17X0-6」=0.01038,则迅「01001053.2672=0.01038Pa=20828.74Pa0.05082*543.626故两相流的摩擦压降为:■FF=1.95P0=40616.51Pa(2)Chisholm方法:P=18MPa>3MPa,且管道为粗糙管,*3故「mVm=1500kg/m,此时’=1,n=0,VG_2_L且,故n_50-52fa\2f0476矿x2=-0—6=1.266,X=1.125(1—a丿(1-0.476丿不2心PfC13.441,*由Chisholm关系式为曲L-=12=1++=4.85LAF0XX21.1251.266采用M-N方法计算的也P0值,aPf=4.85心F0=100156.38Pa(3)苏联78年方法:摩擦阻力系数■=忑3.7D、2P二0.023424咒g3“0.002丿且进口为饱和水,则Xi=0,又Xe=0.1825,Xe求得平均干度X=^—-0.09125查《气液两相流和沸腾传热》的图表得,=0.98故摩擦压降(4)我国水动力方法:由于;mVm=1053.267kg/(m2s)1000kg/(m2s),X1-X=110001丿1PL1+(1-X)—-1

ML-的计算步骤:(2)根据力的平衡,利用第一步所得出的,m值计算液膜中切应力的分布;(3)根据液膜中切应力的分布曲线和有效粘度来计算液膜中的速度分布曲线;(4)沿速度分布曲线积分便可求得Mlfo一般采用与分离流动气相动量方程式相类似的方法计算界面切应力,对于等截面的流道中的稳定流动来说,-dp/dz二出•丄Q(「g;guG)•g’GoA^g名gdz对于均匀混合的气芯的动量平衡,动量方程可以改为Uc为平均气芯速度,Uc』(XFe(1—X))Pc%对于圆管,_dp/dz二益丄g(市2(x氏(1))2)飞匚r°—6%dz巳氏可以根据总压梯度dp/dz来计算界面切应力,若dp/dz未知,,m根据无相变时的切应力.计算界面切应力与径向位置的函数关系:速度分布对于层流,■-E=%,由边界条件积分:2k(du/dy)222(du/dy)对于湍流,%二叽亠汕l,当y:::20,根据Deissler公式涡流扩散率;=n2uy[1-exp(-,n2牛)],当y20,根据VonKarman公式计算%对于向上的层流,如果壁面切应力通过液膜变化很小(即可以假设界面切应力和壁面切应力相等),并且液膜的厚度与管半径相比很薄,这时可以很方便地进行简化。

在这种情况下,对于层流oY,MLF■:ro'\.o:2液膜摩擦系数fLF0,液膜平均速度1H定义液膜雷诺数ReLF=營在低雷诺数的极限情况,16ReLF对于高雷诺数,根据Hewitt的研究结果把fLF作为液膜雷诺数的函数计算三角关系简化形式的用法:根据ReLF二警土决定液膜的雷诺数,再由液膜摩擦系数与液膜雷诺数的关系图查取fLF的近似值,然后根据估算的界面切应力-im,由Mlf=2兀鬧J""]计算液膜的流量\fLF液膜厚度:.的计算:摩擦压力梯度dPF二dzro?LU2LF?lU2LFroJlfLF单相液体以质量流率2LFromLF流动时的压力梯度dPF为:dPF_MlfLFdzr压降因子2dpF/dzLF(dPF/dz^F对于所有的液体全部在液膜中流动的情况,dpF/dz_fLF1dPF/dzlf〔f(1一;g)2整理得到Mf叽\二r0"L-0应用最广的界面粗糙度关系式就是Wallis公式:fgsci二fsgc(「360^)Whalley与Hewitt提出了一个改进的关系式:fgsci=fsgc.卩+24(生)1/3色'PgD液滴的夹带和沉积、蒸发会导致液膜质量流量沿流动方向发生变化,在管道处液膜的质量守恒方程为:dWf/dz=pr(D-E-Q)hfg当前,夹带的液滴份额和夹带率的确定主要依赖于实验测量以及经验关系式,测量夹带率Me的方法还不太令人满意。

通常,夹带率是根据流体动力平衡条件下的夹带流率的数据求得的,即Me二Md二kCEIshii和mishima建立的关系式,模型(适用于低压下空气-水混合物,使用范围较窄)表示为:e::=tgh(7.2510’We"25ReL")TomioOkawa等致力于幵发能够在广泛的流动工况范围内正确预测环状两相弥散一fiPj26p流中液膜质量流量的关系式,模型表示如下:二E=Igg,Me*E丫E(-,Pg其中fi=0.005(1300二)iDKataoka的夹带率模型,表示如下:(1) 当e^e::时,当ee时,Kataoka和Ishii又进一步对前人提出的关系式进行整理和总结,得到改进的关系式表示如下:Ueda研究垂直管的降膜流动,提出了沸腾时的夹带率关系式,表示如下:沉积率与沉积传质系数和液滴在气芯中的浓度有关,沉积率的大小主要由液滴的扩散所控制,小液滴的沉积率通常根据下面的简单公式来计算:Nd=kC,WL㈣飞厂㈣匚)对于质量传送系数k已经做了很多理论研究和试验研究,已经幵发出可信赖的关联式这些关联式都是基于对流动结构、气芯和液滴的湍流扩散以及液滴尺寸的详细物理分析得出的计算传质系数k的几种关联式的介绍如下(1)Paleev和Filipovich's的关联式McCoy和Hanratty的关联式(不适合高压)Whalley和Hewitt提出了适合于低压和高压的关联式研究现状:两相流流型和流动结构依赖于气液两相的流速、物性和管道几何尺寸。

环状流是其中较重要的流型,此时液相覆盖管道内壁形成了液膜,气相在其内部高速流动,并可能夹带部分液滴,由于这种流型存在很宽的汽、液流速范围内,因而普遍存在于各种工业中,无论管道是否水平、垂直或者倾斜,管内都能形成环状流,即环状流的形成与布置方式无关在油气井生产中,随着压力降低,油气混合物不断析出气体,环状流普遍存在于水平及垂直井中环状流常出现在水平和微倾斜管中,深入了解环状流的流动特性为油气井幵采和评估提供参考依据,为油气混输管线和动力设备及运行参数的优化提供理论指导在电站锅炉水冷壁及再热器,核反应堆中的蒸汽发生器及冷凝器中都存在环状流深入研究环状流特性,对增大反应堆堆芯蒸发器临界热负荷,提高核反应堆安全性有着重要的作用,同时也可避免在水冷壁、再热器及省煤器中出现传热恶化而造成设备损坏另外,在化工、制冷、冶金等工业设备中也常出现环状流,因而幵展环状流流动特性和传热规律的解析计算和研究,对工业设备的设计和运行参数的选择有着重要的参考价值和应用背景在环状流中存在一个研究很久,又没能解决的基本问题:水平管中液膜如何克服重力作用向管子顶部输送并形成连续液膜针对这一问题国内外许多专家学者进行了研究,Butterworth等认为环状流形成的机理大致可以分为以下几种:(1) 夹带一沉积机理.该理论认为环状流的液膜是由于高速气相把液相以液滴的形式夹带到管子顶部形成的,管子底部厚液膜的夹带率高于顶部薄液膜的夹带率,顶部液膜不会加厚的原因是其中的净夹带部分在重力的作用下沿管壁回流到管子的底部.(2) 二次流机理它认为沿管子的周向有一个粗糙度的变化,气相在高速流过管子截面时,由于周向的粗糙度不同将会在气相中引起二次流,靠近气液界面的气相向上流动,将界面处液相带到管子顶部,壁面处的液相则向下流回管底.(3) 波一交混机理.其假定环状流形成前,在管子周向已形成了具有很强扰动的波,每当一个波通过时,在波内部激烈的交混作用下,液膜沿管子周向均匀铺幵,从而在管子顶部形成液膜.与波一交混机理相似的还有波涛机理,它认为液相是被管子底部的强烈扰动“抛”到管子顶部,而不是沿周向输运的.(4) 帆船机理.该机理认为随着气相流量的加大,气液界面的波发生变形,作用在波上的压力分布也相应发生变化,产生了周向方向的分量,在此压力分量的作用下,波内所含有的液相沿管子周向输送到顶部,在顶部形成了环状液膜.目前以上四种机理被人们所认可,但是对不同机理之间还具有分歧。

同时国内外对垂直上升管流中的环状流进行了大量的研究,其中较为有名的有一维一速假定的均相方法;二维一速假定的滑移方法,如Bankoff方法;一维二速的假定扩展方法,如Wallis方法;二维二速假定的漂移方法,如Zuber-findlay方法等国内毛伟和张绍槐提出了预测环状流重要参数的数学方法,所提出的方法较前人的方法有较大的改进,但是迭代过程依旧繁琐;周云龙和何小斌的管内上升环状流含液体积分数与压降预测方法,相对于Beggs—Brill方法有了一定改进,但对于环状流液膜厚度的计算没有详细研究关于液膜流率、液膜厚度以及压力梯度之间的三角关系式中涉及液滴夹带与沉积模型是当今环状流科学研究的热点。

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