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1、气液两相流气液两相流主主 讲：讲： 范广铭范广铭核科学与技术学院核科学与技术学院 202011.0311.03课程目录第一章第一章 两相流基本参数及其计算方法（两相流基本参数及其计算方法（3 3学时）学时）第二章第二章 两相流的流型和流型图（两相流的流型和流型图（4 4学时）学时）第三章第三章 两相流的基本方程（两相流的基本方程（3 3学时）学时）第四章第四章 截面含气率的计算（截面含气率的计算（7 7学时）学时）第五章第五章 直管的两相流压降计算（直管的两相流压降计算（8 8学时）学时）第六章第六章 两相流局部压降计算（两相流局部压降计算（2 2学时）学时）第七章第七章 两相临界流动（两相临
2、界流动（3 3学时）学时）第八章第八章 两相流流动不稳定性（两相流流动不稳定性（2 2学时）学时）课程重点n熟练掌握两相流基本参数的定义，表达式及计算方法。熟练掌握两相流基本参数的定义，表达式及计算方法。 n掌握绝热与非绝热垂直与水平管内各种流型的基本特征，掌握绝热与非绝热垂直与水平管内各种流型的基本特征，能用流型图判别流型，了解流型过渡的判别条件。能用流型图判别流型，了解流型过渡的判别条件。n对截面含气率的三类计算方法有明确的认识，掌握用漂对截面含气率的三类计算方法有明确的认识，掌握用漂移流模型计算截面含气率的方法，了解欠热沸腾区截面移流模型计算截面含气率的方法，了解欠热沸腾区截面含气率的计
3、算过程。含气率的计算过程。n掌握用均掌握用均相相流模型及分相流模型计算直管内的摩擦压降、流模型及分相流模型计算直管内的摩擦压降、重位压降及加速度压降重位压降及加速度压降的方法的方法。了解影响摩擦压降的主。了解影响摩擦压降的主要因素。要因素。n能计算热平衡条件下受热及不受热流道的两相总压降。能计算热平衡条件下受热及不受热流道的两相总压降。n能分别用三个模型计算长孔道内临界质量流速，掌握短能分别用三个模型计算长孔道内临界质量流速，掌握短孔道内临界流的特征及临界质量流速的计算。孔道内临界流的特征及临界质量流速的计算。n1.1 基本概念基本概念n1.2 气相介质含量气相介质含量n1.3 两相流的流量和
4、流速两相流的流量和流速n1.4 两相介质密度及比容两相介质密度及比容n1.5 加热通道内沸腾段长度的确定加热通道内沸腾段长度的确定第一章第一章 两相流基本参数及其计算方两相流基本参数及其计算方法法1.1 基本概念基本概念1.1.相相：通通常常指指某某一一系系统统中中具具有有相相同同成成份份和和相相同同物物 理理、化化学学性性质质的的均均匀匀物物质质成成份份，各各相相之之间间有有明明显显 的的界界面面。宏宏观观上上可可以以把把物物质质分分为为三三相相：即即气气相相、液相、固相。液相、固相。 2.2.单单相流：相流：单相单相物质的流动。物质的流动。3.3.两两相流：固体、液体、气体三个相中的相流：
5、固体、液体、气体三个相中的任何两个任何两个 组合在一起、具有组合在一起、具有相间界面相间界面的的流动流动体系。体系。4.4.两相流的分类：两相流的分类：气液气液两相流、两相流、气固气固两相流、两相流、液固液固 两相流、两相流、液液液液两相流。两相流。5.5.多相流多相流1.1 基本概念基本概念判断：下列体系哪些是单相的？哪些是判断：下列体系哪些是单相的？哪些是两相的？两相的？ 1 1、水和水蒸汽、水和水蒸汽 4 4、有沙粒的小溪、有沙粒的小溪 2 2、盐水溶液、盐水溶液 5 5、油水混合物、油水混合物 3 3、氢气和氮气、氢气和氮气 6 6、水和冰、水和冰 1.1.1 两相流的分类两相流的分类
6、（1 1）按化学成份分为）按化学成份分为 单组分两相流单组分两相流：同一种化学成分的物质的两种相：同一种化学成分的物质的两种相态混合在一起的流动，如水态混合在一起的流动，如水- -水蒸汽、钠水蒸汽、钠- -钠蒸汽及冰钠蒸汽及冰水混合物等。水混合物等。 双组分两相流：双组分两相流：不同化学成分的两种物质处于同不同化学成分的两种物质处于同一个系统内的流动，如空气一个系统内的流动，如空气- -水，油水，油- -水，烟水，烟- -气等。气等。（2 2）按流道是否存在热交换可分为）按流道是否存在热交换可分为 绝热两相流绝热两相流无相变，无相间质量交换。如汽水无相变，无相间质量交换。如汽水分离。分离。 加
7、热两相流加热两相流有相变，有相间质量交换。如沸有相变，有相间质量交换。如沸腾，冷凝。腾，冷凝。 1.1.1 两相流的分类两相流的分类（3 3）按两相物质所处的物态可分为）按两相物质所处的物态可分为 气液两相流气液两相流：水和水蒸汽，水和空气：水和水蒸汽，水和空气 气固两相流：气固两相流：风沙，烟气风沙，烟气 液固两相流：液固两相流：血液流动血液流动 液液两相流：液液两相流：两种不相溶的液体，油水混合物两种不相溶的液体，油水混合物n气液两相流在核能、热能及大量工业设备中广泛气液两相流在核能、热能及大量工业设备中广泛存在，如核反应堆、蒸汽发生器等设备、锅炉、存在，如核反应堆、蒸汽发生器等设备、锅炉
8、、冷凝器、石油输送管道和气液分离器等。冷凝器、石油输送管道和气液分离器等。n两相流具有复杂性，多变性的特点，测量手段有两相流具有复杂性，多变性的特点，测量手段有限，两相流的研究充满挑战。限，两相流的研究充满挑战。n气液两相流是流体力学的一个分支，可在单相流气液两相流是流体力学的一个分支，可在单相流体力学研究的基础上，考虑气液两相之间的相互体力学研究的基础上，考虑气液两相之间的相互作用，并引入一些两相流动参数，解决两相流现作用，并引入一些两相流动参数，解决两相流现象中的相关问题。象中的相关问题。1.1.2 研究气液两相流的目的及解决方法研究气液两相流的目的及解决方法1.2.1 1.2.1 定义定
9、义 气相介质含量表示气相介质含量表示两相流中气相所占的份额两相流中气相所占的份额。1.2.2 1.2.2 几种表示方式几种表示方式 1.1.质量含气率质量含气率x x （干度）（干度） 单位时间单位时间内，流过通道内，流过通道某一截面某一截面的两相流体的两相流体总质量总质量M中中气气相所占的相所占的比例份额比例份额。式中，式中， 、 分别表示分别表示气气相和相和液液相的相的质量流量质量流量，kg/skg/s。那么，那么，质量含液率质量含液率( (湿度湿度) )可以表示为可以表示为1.2 气相介质含量气相介质含量 又又称称为为热热平平衡衡含含汽汽率率，它它是是由由热热平平衡衡方方程程定定义义的的
10、含含汽汽率率。在在有有热热量量输输入入的的两两相相流流系系统统中中，可可以以根根据据输输入的热量得到汽相的含量。入的热量得到汽相的含量。 （1 1）热力学平衡（）热力学平衡（thermodynamic equilibrium) thermodynamic equilibrium) 系系统统内内既既无无压压力力梯梯度度和和温温度度梯梯度度，且且该该系系统统内内所所有有共共存存相相内内也也无无化化学学势势梯梯度度时时的的状状态态。满满足足力力学学平平衡衡、热平衡和化学平衡。热平衡和化学平衡。 （2 2）热平衡方程）热平衡方程式中，式中，i i是流道某是流道某截面截面上上两相两相流体的流体的焓值焓值
11、，那么，那么 2.2.热力学含汽率热力学含汽率x x汽化潜热汽化潜热饱和水焓饱和水焓（3 3）讨论）讨论 当当 ，两相流动处于欠饱和态，两相流动处于欠饱和态，过冷（欠热）沸腾或单相；过冷（欠热）沸腾或单相； 当当 ，两相流动处于饱和，两相流动处于饱和沸腾，这时沸腾，这时热平衡含汽率等于质量含汽率热平衡含汽率等于质量含汽率； 当当 ，过热蒸汽，单相汽体。，过热蒸汽，单相汽体。 指指单位时间单位时间内流过内流过某一截面某一截面的的两相总容积两相总容积中，中，气气相相所占的所占的比例份额比例份额。式中，式中， ， 分别表示分别表示气气相和相和液液相介质的相介质的容积流量容积流量，m3/s。那么，。那
12、么，容积含液率（容积含液率（1-） 由定义，可以推出由定义，可以推出质量含气质量含气率率x与与的关系的关系3.3.容积含气率容积含气率 4.4.截面含气率截面含气率 又称为又称为空泡份额空泡份额。指两相流。指两相流某一截面某一截面上，上，气相气相所占截面与总流道截面之比所占截面与总流道截面之比。 式中，式中， ， 分别表示分别表示气气相和相和液液相所占的流道相所占的流道截面积截面积，m2。同理，。同理，截面含液率（截面含液率（1-)1-) 是容积流量比，表示是容积流量比，表示流过流过通道的气相容积份额；通道的气相容积份额；是体积比，表示是体积比，表示存在于存在于通道中的气相容积份额。通道中的气
13、相容积份额。（1-121-12）（1-131-13）显然，对于单组分的两相流，显然，对于单组分的两相流， 在两相流动系统中，两相之间会因在两相流动系统中，两相之间会因物性不同物性不同( (如密如密度度) )存在存在不同程度的滑动不同程度的滑动。引入。引入滑速比滑速比S S的概念，则的概念，则两相两相之间滑动的大小之间滑动的大小可以表示为可以表示为（1-151-15）1.3 两相流的流量和流速两相流的流量和流速1.3.1 几种表达式形式几种表达式形式 1. 1.质量流量和质量流速质量流量和质量流速 总质量流量总质量流量M M：单位时间单位时间内流过内流过任一横截面任一横截面的的气液气液混合物的混
14、合物的总质量总质量,kg/s.,kg/s. 总质量流速总质量流速G G：又称为：又称为质量流密度质量流密度，指流道，指流道单位截单位截面面通过的通过的质量流量质量流量,kg/m,kg/m2 2.s.s.每一相的质量流速与总质量流速的关系每一相的质量流速与总质量流速的关系 总容积流量总容积流量：单位时间单位时间内，流过通道内，流过通道任一流通截面任一流通截面的的气液混合物气液混合物的的总的容积总的容积，m m3 3/s/s。 液相真实平均速度液相真实平均速度，m/sm/s： 气相真实平均速度气相真实平均速度, , m/sm/s：2.2.容积流量、相速度和折算速度容积流量、相速度和折算速度 折算速
15、度折算速度：又称：又称容积流密度容积流密度，又称为，又称为表观质量表观质量流速流速（superficial flow fluxsuperficial flow flux）, , 定义为定义为单位流道单位流道截面截面上的上的两相流容积流量，两相流容积流量，m/sm/s。它也表示。它也表示两相流的平两相流的平均速度。均速度。 式中，式中，J Jg g为气相折算速度为气相折算速度，表示两相介质中，表示两相介质中气相单独流气相单独流过同一通道时的速度过同一通道时的速度,m/s,m/s. . J Jf f为液相折算速度为液相折算速度，表示两相介质中，表示两相介质中液相单独流液相单独流过同一通道时的速度过
16、同一通道时的速度, ,m/sm/s. .讨论讨论当气液两相无相对运动时当气液两相无相对运动时当气液两相存在相对运动，且当气液两相存在相对运动，且 ，则，则漂移速度漂移速度：各相真实各相真实速度与两相混合速度与两相混合平均速度平均速度J的的差值差值。 气气相漂移速度：相漂移速度： 液液相漂移速度：相漂移速度：漂移通量漂移通量：各相相对于两相混合平均速度各相相对于两相混合平均速度J运动的运动的截面截面所流过的所流过的体积通量体积通量。 气气相漂移通量：相漂移通量： 液液相漂移通量：相漂移通量： 3.3.漂移速度和漂移通量漂移速度和漂移通量 循环速度循环速度：与两相混合物：与两相混合物总质量流量总质
17、量流量M M相等的相等的液相液相介质流过介质流过同一同一截面的通道时的速度。截面的通道时的速度。欠热沸腾欠热沸腾时循环速时循环速度在数值上度在数值上等于等于通道通道入口处水的速度入口处水的速度 。 循环倍率循环倍率：单位时间单位时间内，流过通道内，流过通道某一截面某一截面的的两两相介质总质量相介质总质量与其中与其中气相质量气相质量之比，也就是之比，也就是质量含气率质量含气率的倒数的倒数。 4 4. .循环速度和循环倍率循环速度和循环倍率 自然循环锅炉原理自然循环锅炉原理对于沸腾通道，循环速度在对于沸腾通道，循环速度在数值上数值上等于上升管入口处水等于上升管入口处水的速度的速度 。循环倍率循环倍
18、率是指循环水流量与是指循环水流量与蒸汽产量的比值蒸汽产量的比值。表示上升表示上升管中实际产生一公斤蒸汽需管中实际产生一公斤蒸汽需要的循环水流量几公斤要的循环水流量几公斤n对对于于自自然然循循环环蒸蒸汽汽发发生生器器，循循环环流流速速是是指指上上升升空空间间通通道道入入口口处处饱饱和水的流速。和水的流速。n循循环环倍倍率率是是指指循循环环水水流流量量与与蒸蒸汽汽产量的比值。产量的比值。立式自然循环蒸汽发生器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、传热特性及态的重要参数，
19、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。苏联早期的文献，曾推荐取循环分离器工作等都有重要影响。苏联早期的文献，曾推荐取循环倍率大于倍率大于2 23 3，但随着运行实践经验的积累，目前各国倾向于，但随着运行实践经验的积累，目前各国倾向于提高循环倍率，一般认为在设计状态时应大于提高循环倍率，一般认为在设计状态时应大于4 44.54.5，其主要，其主要考虑的因素如下：考虑的因素如下：1.1.传传热热要要求求：为为了了保保证证管管壁壁润润湿湿，特特别别是是防防止止局局部部区区域域出出现现缺缺液液或或干干涸涸。一一般般要要求求管管束束进进出出口口处处的的蒸蒸汽汽含含量量不不超超
20、过过20%20%25%25%，相当于循环倍率大于相当于循环倍率大于4 4。2.2.流流动动稳稳定定性性：循循环环倍倍率率低低可可能能导导致致流流动动的的不不稳稳定定，使使流流动动产产生生振振荡荡，这这种种流流动动振振荡荡现现象象使使传传热热效效率率下下降降，当当流流动动振振荡荡的的幅幅度度足够大时，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波动。足够大时，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波动。 3.3.管管材材腐腐蚀蚀：在在局局部部滞滞流流或或低低流流速速区区，往往往往导导致致污污垢垢沉沉积积或或浓浓缩缩。从从防防止止腐腐蚀蚀与与流流动动的的要要求求出出发发，应应适适当当提提高高循循环环流流速速，以以便便在
21、管板上表面及管束弯管区提高冲刷流速。在管板上表面及管束弯管区提高冲刷流速。 5.5.滑速比滑速比 由由于于气气体体和和液液体体的的流流速速不不同同，在在两两相相之之间间存存在在滑滑动速度动速度( (滑移速度）滑移速度） 气体的速度与液体的速度之比称为滑速比气体的速度与液体的速度之比称为滑速比S S竖直上升流：竖直上升流：竖直下降流：竖直下降流：1.4 两相介质密度及比容两相介质密度及比容 1.1.两相介质密度表示方法两相介质密度表示方法 1 1）两相介质的）两相介质的流动密度流动密度 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。体积之比。 2
22、2）两相介质的）两相介质的真实密度真实密度 即单位体积内两相介质的质量，反映了存在于流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。道中的两相介质的实际密度。 和和 的关系：的关系：1).1).当当S=1S=1时时, , , 所以所以，均质流动；，均质流动；2). 当当时，时，S1: ,则则S1: ,则则 单单位位时时间间内内流流过过流流道道某某一一截截面面的的两两相相介介质质体体积积和和质量之比质量之比 1) 1) 截面平均比容截面平均比容v vA A 2) 2) 动量平均比容动量平均比容v vM M2. 2. 两相介质的比容两相介质的比容3 3）动能平均比容动能平均比
23、容v vE E对对比上面四种比容表达式比上面四种比容表达式, ,当当S=1S=1时时，则则有有，。 1.1.均匀均匀加热加热 1.5 加热通道内沸腾段长度的确定加热通道内沸腾段长度的确定均匀加热通道内含汽率的变化均匀加热通道内含汽率的变化 沸腾段长度的确定实际上就是确定沸腾起始沸腾段长度的确定实际上就是确定沸腾起始面，它与加热方式及来流温度有关。面，它与加热方式及来流温度有关。目的：为了确定分区目的：为了确定分区2.2.正弦正弦加热加热正弦加热通道内含汽率的变化正弦加热通道内含汽率的变化本章小结本章小结1. 1. 何何谓谓两相流？两相流？ 两相流的分两相流的分类类？2. 2. 有关含气率、速度
24、、密度、比容定有关含气率、速度、密度、比容定义义及及计计算式。算式。3. 3. 两相流特性参数的分两相流特性参数的分类类 (1) (1) 流量参数：流量参数： 可根据物可根据物质质平衡或平衡或热热平衡关系平衡关系计计算得到的参数算得到的参数 (2) (2) 真真实实流流动动特性参数：特性参数： 代表流体流动时真实流动特性的参数，这类参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，有与两相流体的相对运动有关，有4.4.何谓热平衡？何谓热平衡？及及5.5. 加加热热通道内沸通道内沸腾腾起始截面的确定。起始截面的确定。6.6.之之间间的关系。的关系。作业：作业：1-51-5，1-61-6
