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1、多相流及其应用1. 两相与多相流的定义与分类在物理学中物质有固、液、气和等离子四态或四相。单相物质的流动称为单相流，两种混合均匀的气体或液体的流动也属于单相流。同时存在两种及两种以上相态的物质混合体的流动就是两相或多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等来区分，即不同的化学组成、不同尺寸和不同形状的物质都可能归属不同的相。在两相流研究中，把物质分为连续介质和离散介质。气体和液体属于连续介质，也称连续相或流体相。固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质，也称分散相或颗粒相。流体相和颗粒相组成的流动叫做两相流动。自然界和工业过程中常见的两相及多相流主要有如下几种，其
2、中以两相流最为普遍。(1) 气液两相流 气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。它又可以分单组分工质如水水蒸气的汽液两相流和双组分工质如空气水气液两相流两类，前者汽、液两相都具有相同的化学成分，后者则是两相各具有不同的化学成分。单组分的汽液两相流在流动时根据压力和温度的变化会发生相变。双组分气液两相流则一般在流动中不会发生相变。自然界中如下雨时的风雨交加，湖面和海面上带雾的上升气流、山区大气中的云遮雾罩。生活中沸腾的水壶中的循环，啤酒及汽水等夹带着气泡从瓶中注人杯子的流动等都属于气液两相流。现代工业设备中广泛应用着气液两相流与传热的原理和技术，如锅炉、核反应堆蒸汽发生器等汽化装置，石油
3、、天然气的管道输送，大量传热传质与化学反应工程设备中的各种蒸发器、冷凝器、反应器、蒸馏塔、汽提塔，各式气液混合器、气液分离器和热交换器等，都广泛存在气液两相流与传热现象。(2) 气固两相流气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。空气中夹带灰粒与尘土、沙漠风沙、飞雪、冰雹，在动力、能源、冶金、建材、粮食加工和化工工业中广泛应用的气力输送、气流千燥、煤粉燃烧、石油的催化裂化、矿物的流态化焙烧、气力浮选、流态化等过程或技术，都是气固两相流的具体实例。严格地说，固体颗粒没有流动性，不能作流体处理。但当流体中存在大量固体小粒子流时，如果流体的流动速度足够大，这些固体粒子的特性与普通流体相类似，即
4、可以认为这些固体颗粒为拟流体，在适当的条件下当作流体流动来处理。在流体力学中，尽管流体分子间有间隙，但人们总是把流体看着是充满整个空间没有间隙的连续介质。由于两相流动研究的不是单个颗粒的运动特性，而是大量颗粒的统计平均特性。虽然颗粒的数密度(单位混合物体积中的颗粒数)比单位体积中流体分子数少得多，但当悬浮颗粒较多时，人们仍可设想离散分布于流体中颗粒是充满整个空间而没有间隙的流体。这就是常用的拟流体假设。(3) 液固两相流液体和固体颗粒混合在一些共同流动称液固两相流。自然界和工业中的典刑实例有夹带泥沙奔流的江河海水，动力、化工,采矿、建筑等工业工程中广泛使用的水力输送，矿浆、纸浆、泥浆、胶桨等浆
5、液流动等。其它像火电厂锅炉的水力除渣管道中的水渣混合物流动，污水处理与排放中的污水管道流动等。(4) 液液两相流两种互不相溶的液体混合在一起的流动称液液两相流。油田开采与地面集输、分离、排污中的油水两相流，化工过程中的乳浊液流动、物质提纯和萃取过程中大量的液液混合物流动均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、液体和固休颗粒混合在一起的流动称气液固三相流。气体与两种不能均匀混合、互不相溶的液体混合物在一起的共同流动称为气液液三相流；两种不能均匀混合、互不相溶的液体与固体颗粒混合在一起的共同流动称为液液固三相流。 图1 两相流的范围2. 两相流的研究和处理方法与普通流
6、体动力学类似，研究两相流问题的方法可以分为理论研究和实验研究两方面。 从理论分析方法来看，仍然存在微观和宏观两种观点。微观分析法就是从分子运动论出发，利用Boltzman(波尔兹曼)方程和统计平均概念及其理论，建立两相流中各相的基本守恒方程。宏观分析法，就是以连续介质假设为基础，将两相流中各相都视为连续介质流体，根据每一相的质量、动量和能量宏观守恒方程以及相间相互作用，建立两相流的基本方程组，再利用这些两相流基本方程组去研究分析各种具体的两相流问题。在许多实际问题中，我们所关心的不是单个物质粒子的运动而是大量粒子运动所产生的总结果，也就是所谓的宏观量，如压强、密度、温度、平均流速等。从宏观观点
7、分析两相流的方法又可以分为3类。(1) 模型法即假定相互扩散作用是连续进行，其基本观点是：(1) 两相流混合物体中的每一点都同时被两相所占据；(2) 混合物的热力学和输运特性取决于各相的特性和浓度；(3) 各相以自己的质量速度中心移动，相间相互扩散作用反映在模型内。(2) 容积法假定过程处于平衡状态，可用平衡方程式进行描述，基本方法是：(1)认为流动是一维的；(2)对一个有限容积写出质量、动量和能量守衡方程；(3)守衡方程即可按混合物写出，也可按单独相列出。(3) 平均法假定过程处于平衡状态，用平均的守衡方程进行描述，类似低通滤波的方法。上述3种方法的共同点就是不考虑局部的和瞬时的特性，仅考虑
8、相界面上流体微粒集中的相互作用，即宏观动力学。3. 两相与多相流的专用术语与基本持性参数一般用下角标1和2分别表示两相流中的两种相或组分，对液气两相系统用下角l和g区分，对流体固体两相系统用下角标f和s区分。通常选定组分或相2为分散相或为分层流动中的轻相。3.1 质量流量、质量流速和质量相含率(相分数) 质量流量是指单位时间内流过通道总流通截面积的流体质量，用W表示。两相流总的质量流量是各相质量流量之和，各相的质量流量分别用W1和W2表示，所以有W= W1+W2 （kg/s） 质量流速是单位流通截面积上的质量流量，用G表示，如流道的总流通截面积为A，各相所占的流通截面积分别为A1和A2，则有G
9、=W/A G1=W1/A G2=W2/A 各相质量流量与总质量流里之比称为质量相含率或质量相分数。在气液两相流系统中，气体的质量相含率俗称为质量含气率或干度，用x表示；液体的质量相含率俗称为质量含液率。气液两相流的质量含气率与质量含液率之和是1，所以有x=Gg/G=Wg/W1-x= Gl/G=Wl/W3.2 容积流量、容积流速和容积相含率 容积流量是指单位时间流过通道总流通截面积的流体容积，用Q表示。两相流总的容积流量同样是各相容积流量Q1和Q2之和，即Q= Q1+Q2=( W1/1+W2/2) 容积流速是单位流通截面积上的容积流量，又称折算速度，是容积流量除以通道总流通面积A，用J表示。J=
10、Q/A= (Q1+Q2)/A=J1+J2J1= Q1/A= W1/(1A)J2= Q2/A= W2/(2A)各相的折算速度在两相流中是十分重要并常用的一个术语和参数，它表示两相混合物中任何一相单独流过整个通道截面积时的速度，称为该相的折算速度。容积相含率是指各相容积流量与总容积流量之比。在气液两相流系统气相的容积相含率又称为容积含气率，用表示，液相的容积相含率称为容积含液率。3.3 各相真实流速 各相容积流量除以流动中各相各自所占流通截面积即为各相的真实流速。用vi表示(i= 1，2，或i= l，g，为气液两相流；i=f，s为流体固相两相流)。vi=Qi/Ai3.4 真实相含率或截面相含率某相
11、的流动在任意流通截面上所占通道截面积与总的流通截面积之比称作该相的真实相含率或截面相含率。对气液两相流，气相的真实相含率又称为截面含气率、真实含气率或空隙率，用表示。而液相所占截面积与总流通截面积之比称为截面含液率，用(1-表示。即；=Ag/A 1-=Al/A3.5 滑动比、滑移速度、漂移速度和漂移流率 两相流中各相真实速度的比值称为滑动比。气液两相流的滑动比用S表示，是气相真实速度与液相真实速度之比S=vg/vl滑移速度是指两相流各相真实速度的差，用vs表示vs= vg-vl=Jg/-Jl/(1-) 漂移速度是指轻相（如气相）速度与两相混合物平均速度vH之差，用vD表示vD= vg-vH 两
12、相混合物平均速度指当滑动比S=1时两相混合物的速度。漂移流率是指滑移速度vs的式两边乘以通分后的分母项，消去分母后的等式，用jD表示，有jD=(vg-vl) (1-)= Jg(1-)-Jl3.6 两相混合物的密度与比容 两相流体的密度有两种表示法： (1)流动密度。指单位时间内流过截面的两相混合物的质量与容积之比，即0=W/Q (2)真实密度。指流动瞬间任一流动截面上两相流混合物的密度，用m表示，定义如下：m=g+(1-)m 由截面含气率与容积含气率及滑移比S各自的定义可推得：显然当S=1，即vg=vl，两相间无相对速度时，=流动密度才等于真实密度。比容是密度的倒数，因此，两相混合物的比容为：
13、流动比容；真实比容4. 气液两相流的流型和流型图4.1 垂直上升管中的气液两相流流型及其流型图 气液两相流在垂直管中上升流动时的几种常见流型。(1)细泡状流型 细泡状流动是最常见的流型之一。其特征为在液相中带有散布在液体中的细小气泡。直径在1mm以下的气泡是球形的。直径在1mm以上的气泡外形是多种多样的。(2)气弹状流型 气弹状流型由一系列气弹组成。气弹端部呈球形而尾部是平的。在两气弹之间夹有小气泡而气弹与管壁之间存在液膜。 (3)块块流型 当管内气速增大时，气弹发生分裂形成块状流型。此时大小不一的块状气体在液流中以混乱状态流动。 (4)带纤维的环状流型 在这种流型中，管壁上液膜较厚且含有小气
14、泡。管子核心部分主要是气体，但在气流中含有由被气体从液膜带走的细小液滴形成的长条纤维。 (5)环状流型在这种流型中，管壁上有一层液膜，管子核心部分为带有自液膜卷入的细小液滴的气体。环状流型都发生在较高气体流速时。在受热管道中，当管壁温度高到足以使管壁液膜汽化时，流动结构就会发展到壁上无液膜，只有气相中还含有细小液滴的雾状流型。图3表示有单组分气液两相流体在垂直上升受热管中的流型和管壁热流密度的关系。在图中，温度低于饱和温度的液体以固定流量进入各受热管。各受热管的热流密度依次自左向右逐渐增加。由图3可见，随着热流密度的增大，各管中的沸腾点逐渐移向管子进口，各管中的流型也逐渐由单相液体、细泡状流型
15、、气弹状流型、块状流型、环状流型、雾状流型一直发展到干饱和蒸汽和过热蒸汽流动。在气液两相流中，在两相流量、流体的物性值(密度、粘度、表面张力等)、管道的几何形状，管道尺寸以及热流密度确定的条件下，要判断管内气液两相流的流型可应用流型图。流型图主要是根据试验资料总结而成的，因而应用流型图时不应超出获得该流型图的试验范围。 在判断垂直上升的流型图中，图4所示的流型图得到较为广泛的应用。此图适用于空气水和汽水两相流，是在管子内径为31.2mm的管子中用压力为0. 14-0.54 MPa的空气水混合物为工质得出的，此图和应用压力为3. 45 -6. 9 MPa的汽水混合物在管径为12.7mm管子中得出的试验数据相符良好，所以也可适用于上述参数的汽水混合物。 图中横坐标为脚LJ2L纵坐标为GJ2G可分别按下列两式计算：4.2 垂直下降管中的气液两相流流型及其流型图在垂直管中气液两相一起往下流动时的流型示于图5。这些流型是由空气水混合物的试验结果得出的。在气液两相做下降流动时的细泡状流型和
