哈工程两相流第2章概要优秀PPT.ppt

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1、其次章其次章 两相流的流型和流型图两相流的流型和流型图 本章主要内容 1.流型的定义、影响流型的因素;2.竖直上升绝热管、竖直下降绝热管、水平绝热管中存在的流型、特征及出现范围;3.管内沉没和流向反转的产生及判别;4.流型的过渡及判别；5.接受流型图判别流型的方法。2.1 探讨流型的意义探讨流型的意义一一.何谓两相流的流型何谓两相流的流型?单相流与两相流的区单相流与两相流的区分？分？1.1.气液两相流体在流淌过程中，两相之气液两相流体在流淌过程中，两相之间存在间存在分界面，这就是两相流区分于单相流的重要分界面，这就是两相流区分于单相流的重要特特征。征。2.2.两相流中两相介质的分布状况，不同两

2、相流中两相介质的分布状况，不同的界面的界面分布就构成了不同的两相流流型。分布就构成了不同的两相流流型。三三.影响流型的因素影响流型的因素 1.x,P,G;1.x,P,G;2.2.是否受热（非绝热）；是否受热（非绝热）；3.3.流淌方向；流淌方向；4.4.流道结构。流道结构。1.流型影响流体的换热特性；流型影响流体的换热特性；2.流型影响压降特性；流型影响压降特性；3.流淌不稳定性与流型有关；流淌不稳定性与流型有关；4.建立流淌模型与流型亲密相关。建立流淌模型与流型亲密相关。二二.探讨流型的意义探讨流型的意义2.2 垂直上升管中的流型垂直上升管中的流型泡状流泡状流一一.垂直上升不加热直圆管垂直上

3、升不加热直圆管1.1.泡状流泡状流(1)(1)特征：特征：1)1)液相连续，气相不连续；液相连续，气相不连续；2)2)气泡多数呈球形；气泡多数呈球形；3)3)管子中心气泡密度大，有趋中效应。管子中心气泡密度大，有趋中效应。(2)(2)出现范围：出现范围：主要出现在低主要出现在低x x区，在中低压状况下，出区，在中低压状况下，出现在现在 ；高压状况下，高压状况下，较大仍为泡状流，较大仍为泡状流，2.2.弹状流弹状流(1)(1)特征特征 1)1)大气泡与大液块交替出现，头部呈球大气泡与大液块交替出现，头部呈球形，尾部扁平，形如炮弹；形，尾部扁平，形如炮弹；2)2)气弹间液块向上流淌，夹有小气泡；气

4、弹间液块向上流淌，夹有小气泡；3)3)气弹与管壁间液层缓慢向下流淌。气弹与管壁间液层缓慢向下流淌。(2)(2)出现范围出现范围 1)1)低压、低流速低压、低流速,，低压时气泡，低压时气泡长长度可达度可达1m1m以上；以上；2),2),不能形成大气泡，当不能形成大气泡，当P10MPaP10MPa时，弹状流消逝；时，弹状流消逝；3)3)出现在泡出现在泡-环过渡区。环过渡区。弹状流弹状流3.3.乳沫状流乳沫状流(搅混流）搅混流）(1)(1)特征特征 1)1)裂开的气泡形态不规则，有裂开的气泡形态不规则，有很多小气泡夹杂在液相中；很多小气泡夹杂在液相中；2)2)贴壁液膜发生上下交替运动，贴壁液膜发生上

5、下交替运动，从而使得流淌具有震荡性。从而使得流淌具有震荡性。(2)(2)出现范围出现范围 它是一种过渡流，一般出现在它是一种过渡流，一般出现在大口径管中，小口径的管中视察不大口径管中，小口径的管中视察不到。到。乳沫状流乳沫状流4.4.环状流环状流(1)(1)特征特征 1)1)贴壁液膜呈环形向上流淌；贴壁液膜呈环形向上流淌；2)2)管子中部为夹带水滴的气柱；管子中部为夹带水滴的气柱；3)3)液膜和气流核心之间存在波动液膜和气流核心之间存在波动界面。界面。(2)(2)出现范围出现范围 1)1)在在PPcrPPcr，0 x10 x10MpaP10Mpa，弹状流消逝，流，弹状流消逝，流型型干脆从泡状流

6、向环状流转变。干脆从泡状流向环状流转变。(2)(2)绝热管中不会出现雾状流。绝热管中不会出现雾状流。二二.垂直上升加热直圆管中的流淌型式垂直上升加热直圆管中的流淌型式 三三.流型图流型图 目前广泛接受的流型图均为二元的，其坐标为流淌参数或组合参数。选用右图流型图留意1.试验条件Di=31.2mm;P=0.14-0.54MPa,流淌工质是空气和水。2.该图和应用P=3.45-6.9MPa,汽水混合物在Di=121.7mm管子中得到的试验数据符合良好。3.3.坐标参数坐标参数横坐标：分液相动压头横坐标：分液相动压头 纵坐标：纵坐标：分气相动压头分气相动压头上节重要学问点上节重要学问点1.1.两相流

7、型的定义，与单相流的区分；两相流型的定义，与单相流的区分；2.2.探讨两相流流型的意义？探讨两相流流型的意义？3.3.影响两相流流型的因素？影响两相流流型的因素？4.4.垂直上升绝热、加热直圆管中的流型分垂直上升绝热、加热直圆管中的流型分5.5.别有哪些？每种流型的特征和出现别有哪些？每种流型的特征和出现的范的范6.6.围是什么？围是什么？2.32.3垂直下降管中的气液两相流流垂直下降管中的气液两相流流型及其流型图型及其流型图 1.泡状流泡状流 2.弹状流弹状流 3.下降液膜流下降液膜流 4.带气泡的带气泡的 5.块状流块状流 6.雾式环状流雾式环状流 下降液膜流下降液膜流一一.流型的分类流型

8、的分类1.1.泡状流泡状流特征特征:1)1)气泡集中在管子中心部分气泡集中在管子中心部分 2)2)气泡尺寸更小，更接近于球形。气泡尺寸更小，更接近于球形。2.2.弹状流弹状流 若若 ，则气泡将聚集成气弹。，则气泡将聚集成气弹。特征：特征：1)1)气弹较长，尾部呈球形；气弹较长，尾部呈球形；2)2)下降流时贴壁面液膜向下流淌，故比上升下降流时贴壁面液膜向下流淌，故比上升流时稳定。流时稳定。3.3.环状流环状流(1)(1)下降液膜流下降液膜流 当当 小时，有一层液膜沿管壁下流，核心部分小时，有一层液膜沿管壁下流，核心部分为气相，液膜中无气泡。为气相，液膜中无气泡。(2)(2)带气泡的下降液膜流带气

9、泡的下降液膜流 当当 时，由于惯性的作用，气相将进入液膜。时，由于惯性的作用，气相将进入液膜。(3)(3)块状流块状流 当当 较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸作用，核心为雾状气柱。作用，核心为雾状气柱。(4)(4)雾式环状流雾式环状流 当当 较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸作用，较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸作用，核心为雾状气柱。核心为雾状气柱。二二.流型图流型图1.1.试验条件试验条件 空气和多种液体混合物空气和多种液体混合物,di=25.4mm,P=0.17MPa,di=25.4mm,P=0.17MPa2.2.坐标参数坐标参数 横坐标横坐标 纵坐标

10、纵坐标一一.水平不加热管中的流淌型式水平不加热管中的流淌型式 1.1.泡状流泡状流 气泡趋于管道上部，下部较气泡趋于管道上部，下部较少。其分布与流速关系很大。少。其分布与流速关系很大。液相流速增大，分布趋于匀整。液相流速增大，分布趋于匀整。2.2.塞状流塞状流 气泡聚结长大而形成气塞，气泡聚结长大而形成气塞，与垂直上升流中弹状流相像。与垂直上升流中弹状流相像。大气塞后有小气泡，由泡状流大气塞后有小气泡，由泡状流过渡而来。过渡而来。2.4 2.4 水平管中的流淌型式水平管中的流淌型式3.3.分层流分层流特征：特征：(1)(1)出现在出现在 都比较小的状况；都比较小的状况；(2)(2)两相完全分别

11、，气相在管道上方流淌；两相完全分别，气相在管道上方流淌；(3)(3)气液之间有明显的分界面。气液之间有明显的分界面。4.4.波状流波状流 气相流速足够高时，由于气相的作用，在界面上产生一气相流速足够高时，由于气相的作用，在界面上产生一个扰动波，扰动波向前推动向波浪一样，形成波状流。个扰动波，扰动波向前推动向波浪一样，形成波状流。5.5.弹状流弹状流 在波状流基础上，随着气相流速的增加，会使这些扰动在波状流基础上，随着气相流速的增加，会使这些扰动波遇到流道的顶部表面，形成气弹。波遇到流道的顶部表面，形成气弹。弹状流与塞状流的区分弹状流与塞状流的区分 (1)(1)弹状流的气相流速低于塞状流的；弹状

12、流的气相流速低于塞状流的；(2)(2)气弹顶部无液膜；气弹顶部无液膜；(3)(3)塞状流由泡状流过渡而来，弹状流由波状流过渡塞状流由泡状流过渡而来，弹状流由波状流过渡而来。而来。6.6.环状流环状流 受重力作用，周向液膜厚度不匀整。受重力作用，周向液膜厚度不匀整。出现在气相流速较高、流量比较大，而液相流速较低时。出现在气相流速较高、流量比较大，而液相流速较低时。当壁面粗糙时，液膜可能不连续。当壁面粗糙时，液膜可能不连续。水平不加热管中的流型图片水平不加热管中的流型图片水平不加热管中的流型图片水平不加热管中的流型图片二二.水平加热管中的流淌型式水平加热管中的流淌型式1.1.单相流单相流 2.2.

13、泡状流泡状流 3.3.塞状流塞状流 4.4.弹状流弹状流 5.5.波状流波状流 6.6.环状流环状流流型演化与流型演化与P P、q q、WoWo亲密相关亲密相关 P P：当：当P P很高时，塞状流和弹状流消逝；很高时，塞状流和弹状流消逝；q q：q q较大，环状流所占范围扩大；较大，环状流所占范围扩大；Wo Wo：WoWo高，惯性作用增加，可消退波状流，流型不对称高，惯性作用增加，可消退波状流，流型不对称性减小，接近竖直管中的流型。性减小，接近竖直管中的流型。留意：从工程角度，避开水平布置；当水平布置时，须要提高留意：从工程角度，避开水平布置；当水平布置时，须要提高入口水的流速，使入口水的流速

14、，使Wo1m/sWo1m/s，可避开波状流。，可避开波状流。流型图遵循四原则流型图遵循四原则简简易易性性原原则则主主导导性性原原则则适适用用性性原原则则发发展展性性原原则则2.9 2.9 管内沉没和流向反转过程的流型管内沉没和流向反转过程的流型一一.气液两相逆向流淌的两种极限现象气液两相逆向流淌的两种极限现象 沉没（液泛）、流向反转（回流）沉没（液泛）、流向反转（回流）二二.沉没和流向反转现象沉没和流向反转现象注水器注水器气体气体底桶底桶1.1.气体流量由零起先增加气体流量由零起先增加液体液体图图2-31 沉没过程的压降和流量变更沉没过程的压降和流量变更沉没过程试验现象沉没过程试验现象AB 液

15、体流量确定，当气体流量增加到某一点时，环状液膜表面出现较大的波浪，管段内压差突然上升，注水器上部有水带出，此点即为沉没起先点。出现的特征之一：注水器以下管段中压差突然上升。当接着增加气体流量，达到某一点时，气体将全部液当接着增加气体流量，达到某一点时，气体将全部液体带出试验段，此点称为液体被全部携带点。体带出试验段，此点称为液体被全部携带点。2.2.气体流量渐渐削减气体流量渐渐削减 当气体流量降到某一值时，当气体流量降到某一值时，液膜起先回落到注水器以下，此液膜起先回落到注水器以下，此点称为流向反转点。点称为流向反转点。在流向反转点后接着削减气在流向反转点后接着削减气体流量至某一值时，全部液体

16、恢体流量至某一值时，全部液体恢复向下流淌，这点称为沉没消逝复向下流淌，这点称为沉没消逝点。点。沉没消逝点与沉没起先点所沉没消逝点与沉没起先点所对应的气体流量不相等，沉没消对应的气体流量不相等，沉没消失点所对应的气体流量比沉没开失点所对应的气体流量比沉没开始点对应的气体流量小，这种现始点对应的气体流量小，这种现象称为沉没消逝滞后。象称为沉没消逝滞后。和 反映了惯性力与重力的比值，Wallis给出，发生沉没时满足以下条件：2.2.沉没和流向反转过程的表达式沉没和流向反转过程的表达式1 1）.发生沉没发生沉没(液阻液阻)的条件的条件 引入两个无量纲量引入两个无量纲量（2-11）式中，式中，m m和和

17、c c是两个常数，主要跟气体的入口条件有关，可是两个常数，主要跟气体的入口条件有关，可有试验来确定。一般状况下，有试验来确定。一般状况下，m1,c1.m1,c1.2 2）发生流向反转的条件）发生流向反转的条件3 3）液体被全部携带点判定条件）液体被全部携带点判定条件也可用库塔杰拉兹数来表达液体全部携带点也可用库塔杰拉兹数来表达液体全部携带点 (2-17)3.3.探讨沉没和流向反转的重要性探讨沉没和流向反转的重要性3.3.探讨沉没和流向反转的重要性探讨沉没和流向反转的重要性 1 1）反应堆出现破口事故时，安注系统的投入，须要）反应堆出现破口事故时，安注系统的投入，须要避开沉没产生的条件，保证冷却

18、水进入堆芯，冷却燃料棒；避开沉没产生的条件，保证冷却水进入堆芯，冷却燃料棒；2 2）破口事故时，一回路循环工质将沿与蒸汽发生器）破口事故时，一回路循环工质将沿与蒸汽发生器底部相连的水平管流回反应堆，在自然循环作用下带出堆底部相连的水平管流回反应堆，在自然循环作用下带出堆芯热量，此时会在水平管处产生气液逆向流淌，可能会发芯热量，此时会在水平管处产生气液逆向流淌，可能会发生沉没现象，因此对水平管内沉没现象发生条件还需进生沉没现象，因此对水平管内沉没现象发生条件还需进一步的探讨。一步的探讨。4.4.竖直管内气液两相逆向流淌流型图竖直管内气液两相逆向流淌流型图图图中中，a线线表表示示发发生生沉沉没没时

19、时的的界界限限，无解区表示液体全部被携带。无解区表示液体全部被携带。多种流型共存的区域，可用多种流型共存的区域，可用下属方法进行判别：下属方法进行判别：1.当管道当管道出口阻力小时，流型为环出口阻力小时，流型为环状流；状流；2.2.当出口阻力大时，如满足当出口阻力大时，如满足 流淌为泡状流，否则为弹状流。流淌为泡状流，否则为弹状流。(2)(2)低液相流速下，空泡份额低液相流速下，空泡份额 （Taitel等（等（19801980年）年）)1.1.泡状流泡状流-弹状流的过渡弹状流的过渡 (1)(1)气泡的聚结机理气泡的聚结机理.气泡在碰撞聚结过程引起气泡的长气泡在碰撞聚结过程引起气泡的长大，并最终

20、使泡状流过渡到弹状流。确定过渡的关键使气泡大，并最终使泡状流过渡到弹状流。确定过渡的关键使气泡碰撞聚结的频率。碰撞聚结的频率。2.10 2.10 流型之间的过渡流型之间的过渡 (3)(3)高液相流速下，液相紊流应力起着离散气相，阻碍气高液相流速下，液相紊流应力起着离散气相，阻碍气泡泡聚聚合合的的作作用用，当当紊紊流流应应力力作作用用大大于于气气泡泡受受到到的的浮浮力力时时，将将引起泡状流向弹状流的转变引起泡状流向弹状流的转变.2.2.水平管中分层流淌的出现范围水平管中分层流淌的出现范围 (1)气相速度高，使分层面出现波浪，形成弹状流。消退分层流淌的蒸汽界限速度如下式表示：(2)(2)波的失稳机

21、理波的失稳机理.波状分层流向间歇流之间的过渡是波状分层流向间歇流之间的过渡是由于气相通过波形交界面的波峰处受到加速，产生局部压力由于气相通过波形交界面的波峰处受到加速，产生局部压力着陆，使峰部同时受到抽吸作用，若抽吸力大于峰部重力效着陆，使峰部同时受到抽吸作用，若抽吸力大于峰部重力效应时，波峰便会扩大，产生流型的过渡。应时，波峰便会扩大，产生流型的过渡。WallisWallis依据试验数依据试验数据给出了弹状流起始条件为：据给出了弹状流起始条件为：3.3.弹状流弹状流-乳沫状流过渡乳沫状流过渡(1)(1)沉没机理沉没机理 上升的气流使平稳的气液界上升的气流使平稳的气液界面遭到面遭到破坏，下降的

22、液膜产生流向反转破坏，下降的液膜产生流向反转从而从而破坏了稳定的弹状流。这个机理破坏了稳定的弹状流。这个机理最早最早是由是由NicklinNicklin和和DavidsonDavidson提出的，提出的，可以可以接受沉没关系式表达这一过渡。接受沉没关系式表达这一过渡。(2)(2)液柱失稳机理液柱失稳机理(Taitel)(Taitel)(3)(3)泰勒气泡尾流影响机理泰勒气泡尾流影响机理（Mishima&IshiiMishima&Ishii）4.4.乳沫状流乳沫状流-环状流过渡环状流过渡 乳沫状流向环状流的过渡可以用流向反转来表示。乳沫状流向环状流的过渡可以用流向反转来表示。其判别式与上一节相同

23、。其判别式与上一节相同。5.5.环状流环状流-细束环状流过渡细束环状流过渡 这个过渡不太简洁辨别，沃利斯（这个过渡不太简洁辨别，沃利斯（WallisWallis）经过）经过试验提出了一个近似表达式试验提出了一个近似表达式当这个公式满足时，就是这个过渡的起先。当这个公式满足时，就是这个过渡的起先。接受接受Weisman流型图判别流型的步骤流型图判别流型的步骤1.计算气相折算流速和液相折算流速；计算气相折算流速和液相折算流速；2.令令 ，依据流型图进行初判。，依据流型图进行初判。3.由初判所在的区域，进行流型分界计算。由初判所在的区域，进行流型分界计算。即利用表即利用表2-2确定确定 ，而后计算，

24、而后计算再查图。再查图。4.最终判定流型。最终判定流型。本章小结本章小结1.1.何谓两相流的流型？探讨流型的意义？影响流型的因何谓两相流的流型？探讨流型的意义？影响流型的因素？素？2.2.水平、垂直上升、垂直下降不加热管中存在哪几种流水平、垂直上升、垂直下降不加热管中存在哪几种流型？各有什么特征？出现范围？型？各有什么特征？出现范围？3.3.什么叫沉没起始点？液体全部被携带点？流向反转点？什么叫沉没起始点？液体全部被携带点？流向反转点？沉没消逝点？沉没消逝点？4.4.判别沉没，流向反转，液体全部被携带点的判据。判别沉没，流向反转，液体全部被携带点的判据。5.5.驾驭用流型图驾驭用流型图(Weisman(Weisman图、图、BakerBaker图图)判别流型的方法。判别流型的方法。