流体力学多相流自学作业

多相流及其应用

1.两相与多相流得定义与分类

在物理学中物质有固、液、气与等离子四态或四相。单相物质得流动称为单相流,两种混合均匀得气体或液体得流动也属于单相流。同时存在两种及两种以上相态得物质混合体得流动就就是两相或多相流。在多相流动力学中,所谓得相不仅按物质得状态,而且按化学组成、尺寸与形状等来区分,即不同得化学组成、不同尺寸与不同形状得物质都可能归属不同得相。在两相流研究中,把物质分为连续介质与离散介质。气体与液体属于连续介质,也称连续相或流体相。固体颗粒、液滴与气泡属于离散介质,也称分散相或颗粒相。流体相与颗粒相组成得流动叫做两相流动。

自然界与工业过程中常见得两相及多相流主要有如下几种,其中以两相流最为普遍。(1) 气液两相流

气体与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—水蒸气得汽液两相流与双组分工质如空气—水气液两相流两类,前者汽、液两相都具有相同得化学成分,后者则就是两相各具有不同得化学成分。单组分得汽液两相流在流动时根据压力与温度得变化会发生相变。双组分气液两相流则一般在流动中不会发生相变。

自然界中如下雨时得风雨交加,湖面与海面上带雾得上升气流、山区大气中得云遮雾罩。生活中沸腾得水壶中得循环,啤酒及汽水等夹带着气泡从瓶中注人杯子得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得原理与技术,如锅炉、核反应堆蒸汽发生器等汽化装置,石油、天然气得管道输送,大量传热传质与化学反应工程设备中得各种蒸发器、冷凝器、反应器、蒸馏塔、汽提塔,各式气液混合器、气液分离器与热交换器等,都广泛存在气液两相流与传热现象。

(2) 气固两相流

气体与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、粮食加工与化工工业中广泛应用得气力输送、气流千燥、煤粉燃烧、石油得催化裂化、矿物得流态化焙烧、气力浮选、流态化等过程或技术,都就是气固两相流得具体实例。

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,

如果流体得流动速度足够大,这些固体粒子得特性与普通流体相类似,即可以认为这些固体颗粒为拟流体,在适当得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,但人们总就是把流体瞧着就是充满整个空间没有间隙得连续介质。由于两相流动研究得不就是单个颗粒得运动特性,而就是大量颗粒得统计平均特性。虽然颗粒得数密度(单位混合物体积中得颗粒数)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就是充满整个空间而没有间隙得流体。这就就是常用得拟流体假设。(3) 液固两相流

液体与固体颗粒混合在一些共同流动称液固两相流。

自然界与工业中得典刑实例有夹带泥沙奔流得江河海水,动力、化工,采矿、建筑等工业工程中广泛使用得水力输送,矿浆、纸浆、泥浆、胶桨等浆液流动等。其它像火电厂锅炉得水力除渣管道中得水渣混合物流动,污水处理与排放中得污水管道流动等。

(4) 液液两相流

两种互不相溶得液体混合在一起得流动称液液两相流。

油田开采与地面集输、分离、排污中得油水两相流,化工过程中得乳浊液流动、物质提纯与萃取过程中大量得液液混合物流动均就是液液两相流得工程实例。

(5) 气液液、气液固与液液固多相流

气体、液体与固休颗粒混合在一起得流动称气液固三相流。气体与两种不能均匀混合、互不相溶得液体混合物在一起得共同流动称为气液液三相流;两种不能均匀混合、互不相溶得液体与固体颗粒混合在一起得共同流动称为液液固三相流。

图1 两相流得范围

2.两相流得研究与处理方法

与普通流体动力学类似,研究两相流问题得方法可以分为理论研究与实验研究两方面。从理论分析方法来瞧,仍然存在微观与宏观两种观点。微观分析法就就是从分子运动论出发,利用Boltzman(波尔兹曼)方程与统计平均概念及其理论,建立两相流中各相得基本守恒方程。宏观分析法,就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,根据每一相得质量、动量与能量宏观守恒方程以及相间相互作用,建立两相流得基本方程组,再利用这些两相流基本方程组去研究分析各种具体得两相流问题。在许多实际问题中,我们所关心得不就是单个物质粒子得运动而就是大量粒子运动所产生得总结果,也就就是所谓得宏观量,如压强、密度、温度、平均流速等。

从宏观观点分析两相流得方法又可以分为3类。

(1) 模型法

即假定相互扩散作用就是连续进行,其基本观点就是:

(1)两相流混合物体中得每一点都同时被两相所占据;

(2)混合物得热力学与输运特性取决于各相得特性与浓度;

(3)各相以自己得质量速度中心移动,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,基本方法就是:

(1)认为流动就是一维得;

(2)对一个有限容积写出质量、动量与能量守衡方程;

(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,用平均得守衡方程进行描述,类似低通滤波得方法。

上述3种方法得共同点就就是不考虑局部得与瞬时得特性,仅考虑相界面上流体微粒集中得相互作用,即宏观动力学。

3.两相与多相流得专用术语与基本持性参数

一般用下角标1与2分别表示两相流中得两种相或组分,对液—气两相系统用下角l与g 区分,对流体—固体两相系统用下角标f与s区分。通常选定组分或相2为分散相或为分层流

动中得轻相。

3、1 质量流量、质量流速与质量相含率(相分数)

质量流量就是指单位时间内流过通道总流通截面积得流体质量,用W表示。两相流总得质量流量就是各相质量流量之与,各相得质量流量分别用W1与W2表示,所以有

W= W1+W2(kg/s)

质量流速就是单位流通截面积上得质量流量,用G表示,如流道得总流通截面积为A,各相所占得流通截面积分别为A1与A2,则有

G=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,气体得质量相含率俗称为质量含气率或干度,用x表示;液体得质量相含率俗称为质量含液率。气液两相流得质量含气率与质量含液率之与就是1,所以有

x=G g/G=W g/W

1-x= G l/G=W l/W

3、2 容积流量、容积流速与容积相含率

容积流量就是指单位时间流过通道总流通截面积得流体容积,用Q表示。两相流总得容积流量同样就是各相容积流量Q1与Q2之与,即

Q= Q1+Q2=( W1/ρ1+W2/ρ2)

容积流速就是单位流通截面积上得容积流量,又称折算速度,就是容积流量除以通道总流通面积A,用J表示。

J=Q/A= (Q1+Q2)/A=J1+J2

J1= Q1/A= W1/(ρ1A)

J2= Q2/A= W2/(ρ2A)

各相得折算速度在两相流中就是十分重要并常用得一个术语与参数,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得速度,称为该相得折算速度。

容积相含率就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得容积相含率又称为容积含气率,用β表示,液相得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得真实流速。用v i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)。

v i=Q i/A i

3、4 真实相含率或截面相含率

某相得流动在任意流通截面上所占通道截面积与总得流通截面积之比称作该相得真实相含率或截面相含率。对气液两相流,气相得真实相含率又称为截面含气率、真实含气率或空隙率,用α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-α}表示。即;

α=A g/A 1-α=A l/A

3、5 滑动比、滑移速度、漂移速度与漂移流率

两相流中各相真实速度得比值称为滑动比。气液两相流得滑动比用S表示,就是气相真实速度与液相真实速度之比

S=v g/v l

滑移速度就是指两相流各相真实速度得差,用v s表示

v s= v g-v l=J g/α-J l/(1-α)

漂移速度就是指轻相(如气相)速度与两相混合物平均速度v H之差,用v D表示

v D= v g-v H

两相混合物平均速度指当滑动比S=1时两相混合物得速度。

漂移流率就是指滑移速度v s得式两边乘以通分后得分母项,消去分母后得等式,用j D表示,有

j D=(v g-v l) α(1-α)= J g(1-α)-J lα

3、6 两相混合物得密度与比容

两相流体得密度有两种表示法:

(1)流动密度。指单位时间内流过截面得两相混合物得质量与容积之比,即

ρ0=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得密度,用ρm表示,定义如下:

ρm=αρg+(1-α)ρm

由截面含气率α与容积含气率β及滑移比S各自得定义可推得:

显然当S=1,即v g=v l,两相间无相对速度时,α=β流动密度才等于真实密度。

比容就是密度得倒数,因此,两相混合物得比容为:

流动比容;

真实比容

4.气液两相流得流型与流型图

4、1 垂直上升管中得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得几种常见流型。

(1)细泡状流型

细泡状流动就是最常见得流型之一。其特征为在液相中带有散布在液体中得细小气泡。直径在1mm以下得气泡就是球形得。直径在1mm以上得气泡外形就是多种多样得。

(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就是平得。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。此时大小不一得块状气体在液流中以混乱状态流动。

(4)带纤维得环状流型

在这种流型中,管壁上液膜较厚且含有小气泡。管子核心部分主要就是气体,但在气流中含有由被气体从液膜带走得细小液滴形成得长条纤维。

(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得细小液滴得气体。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得雾状流型。

图3表示有单组分气液两相流体在垂直上升受热管中得流型与管壁热流密度得关系。在图中,温度低于饱与温度得液体以固定流量进入各受热管。各受热管得热流密度依次自左向右逐渐增加。由图3可见,随着热流密度得增大,各管中得沸腾点逐渐移向管子进口,各管中得流型也逐渐由单相液体、细泡状流型、气弹状流型、块状流型、环状流型、雾状流型一直发展到干饱与蒸汽与过热蒸汽流动。

在气液两相流中,在两相流量、流体得物性值(密度、粘度、表面张力等)、管道得几何形状,管道尺寸以及热流密度确定得条件下,要判断管内气液两相流得流型可应用流型图。流型图主要就是根据试验资料总结而成得,因而应用流型图时不应超出获得该流型图得试验范围。

在判断垂直上升得流型图中,图4所示得流型图得到较为广泛得应用。此图适用于空气—水与汽—水两相流,就是在管子内径为31.2mm得管子中用压力为0、14-0、54 MPa

得空气—水混合物为工质得出得,此图与应用压力为3、45 -6、9 MPa得汽水混合物在管径为12.7mm管子中得出得试验数据相符良好,所以也可适用于上述参数得汽水混合物。

图中横坐标为脚ρL J2L纵坐标为ρG J2G可分别按下列两式计算:

4.2垂直下降管中得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得流型示于图5。

这些流型就是由空气—水混合物得试验结果得出得。在气液两相做下降流动时得细泡状流型与上升流动时得细泡状流型不同。前者得细泡集中在管子核心部分,而后者则散布在整个管子截面上。如液相流量不变而使气相流量增大,则细泡将聚集成气弹。下降流动时得气弹状流型比上升流动时稳定。下降流动时得环状流动有几种流型,在气相及液相流量小时,有一层液膜沿管壁下流,核心部分为气相,这称为下降液膜流型。当液相流量增大,气相将进人液膜,这称为带气泡得下降液膜流型,当气液两相流量都增大时会出现块状流型。在气相流量较高时能发展为核心部分为雾状流动,壁面有液膜得雾式环状流型。

图6示出得就是作下降流动得气液两相流流型图。该图就是以空气与多种液体混合物作试验得出得,试验管径为25、 4 mm,试验压力为0、17 MPa。

图6选用作横坐标,用作纵坐标。,

Y为液相物性系数,

—液相动力粘度P a·s;—20℃,0、1MPa时水得动力粘度P a·s;

—液相密度kg/m3;—20℃,0、1MPa时水得密度kg/m3;

—液相表面张力N/m;—20℃,0、1MPa时水得表面张力N/m

4.3水平管中得气液两相流流型及其流型图

气液两相流体在水平管中流动时得流型种类比垂直管中得多。这主要就是由于重力得影响使气液两相有分开流动得倾向造成得。

气液两相流体在水平管中流动时流型大致可分为6种,即:细泡状流型、气塞状流型、分层流型、波状分层流型、气弹状流型及环状流型。图7中有这6种流型得示意图。

在细泡状流型中,由于重力得影响,细泡大都位于管子上部。当气体流量增加时,小气泡合并成气塞形成气塞状流型。分层流型发生于气液两相得流量均小时甲此时,气液两相分开流动,两相之间存在一平滑得分界面。当气相流量较高时,两相分界面上出现流动波,形成波状分层流型。气相流量再增大会形成气弹状流型,但此时气弹偏向管子上部。当气相流量很高而液相流量较低时就出现环状流型。

水平管中得气液两相流流型也可按相应得流型图确定。在现有得各种水平管流型图中,Baker流型图建立最早且得到广泛应用,特别在石油工业与冷凝工程设计中。图8所示为坐标经过改进后得Baker流型图。

横坐标为J LФ,纵坐标为J G/λ。其中J G、J L分别为气相及液相得折算质量流速;系数λ与Ф值与流体得物性有关。

5.界面现象

5.1概述

两相与多相流中另一个最基本最显著得特征就是混合物系统中存在明确得相界面,并且伴随着混合物得流动,这些相界面得状态、形状也处于不断得运动或变化发展中。相界面就是指将两种不同相得物质分隔开得区域,在此区域内得物质得特征与性质不同于相邻得区域。界面得邻近区域内物质得密度与浓度均有显著得差异,在接近两相分隔得临界点,密度在与界面相垂直得方向上就是位置得连续函数。也就就是说界面就是一个三维区域,其厚度可能有几个分子直径大小或者更厚一些,这已经为统计力学得计算结果所证实。

所谓界面现象,就是指与相界面上得动量、能量与质量传递相关得所有效应。许多物理、化学作用都发生在表面与界面上,例如沸腾与凝结得状态会因界面上存在即便就是极少量得杂质而发生明显得改变,泡沫得稳定性、湖面得波度以及镜体表面得汽水雾罩等现象都就是发生在界面上得物理、化学变化。

5.2速度边界条件

如果不考虑相变或传质、速度相容性在单组分与双组分得两相流动中都就是相同得。但在有相变时,就可能在界面上存在一有限得速度跳跃。流体流经界面必须满足连续性条件,如果密度有变化则速度也会有变化。囚此,相对于图9所示得相界面,在平行与垂直相界面得两个方向上都必须满足如下得相容性条件:

(1)连续切向速度要求

v1t=v2t

(2)穿透相界面得连续性要求

ρ1v1n=ρ2v2n =m

式中:m表示垂直通过相界面得流体质量流量。通过相变过程中得平均连续速度被假设为垂直于相界面得。如果界面还正在移动、就将界面得移动速度简单地叠加到上述速度上去。

5.3应力边界条件

表面张力就是界面上每单位面积得自由能,即形成一单位表面积所需外界做得功,因为将物质分子从体相内移动到表面区就是要克服分子间得吸力而做功得。也可以把表面张力想象为表面作用在每单位长度截线上得力。界面稳定存在得必要条件就是表面张力大于0,如果小于0,那么偶然得涨落就可导致表面区不断扩大,最后使一种物质完全分散到另一种物质中,两种气体之间混合得情况就就是这样。

通过界面得应力场得连续性因表面张力效应而改变。如果表面张力就是均匀得,则通过界面得剪切应力也就是连续得。但杂质、灰尘或表面活性剂得存在、或则沿界面得温度梯度等都会引起表面张力梯度得形成。这种情况下,通过界面得剪切应力存在一等于表面张力梯度得突增量。

6.两相流基本数理模型

两相流中各相在空间与时间上随机扩散,同时存在动态得相互作用。对于这种复杂得二维两相瞬态问题,完整得解析解目前还无法导出。人们先后提出了多种数理模型,从最简单得均相流模型一直到最复杂得双流体模型。

6、1均相流动模型(Homogeneous Flow Model)

均相流动模型把气液两相混合物瞧作就是一种均匀介质,相间没有相对速度,流动参数取两相相应参数得平均值。在此基础土,可将两相流视为具有平均流体特性得单相流对待。在均相模型中采用了两个基本假设:

(1)两相间处于热力学平衡状态,即两相具有相同得温度并且都处于饱与状态;

(2)气液两相得流速相等,即为均匀流。其数学表达式及守恒方程如下:

u G=u L=u H

S= u G/u L=1

在通道微元段上得动量守恒方程为:

动量增加率=动量流出率-动量流入率+动量存积率=作用于控制体得力之与

Pp为通道圆周

对于等截面通道得稳定流动,这个方程简化为

能量方程并不直接用于压降得计算,主要用来计算绝热流动中得局部干度,能量守衡方程为:

能量流人率=能量流出率+能量存积率

化简后e—单位质量流体得对流传热热能

实际上气液两相得流速并不相等,只有在高含气量或很小含气量时两相流速才近似相等,因此这一模型实际上只适用于泡状流与雾状流。从前人得研究中可以瞧出,均相模型得计算结果同实验值有较大出人,偏差随质量流速得减小而增大。这种偏差得存在就是因为均相模型假设两相之间没有速度差异。当质量流速较小时,浮力效应显著,引起两相速度间相当大得差异;而质量流速较大时,液相湍动得结果使得两相得混合更加均匀,因此质量流速

增大时偏差减小。

6、2分相流动模型( Separated Flow M0del )

分相流动模型就是将气、液两相都当作连续流体分别来处理,并考虑了两相之间得相互

作用。其基本假设就是:

(1)两相间保持热力学平衡;

(2)气液两相得速度为常量,但不一定相等。假定气液两相都以一定得平均速度在流道中流动。分相流动模型在一定程度上考虑了两相间得相互作用,计算结果比均相模型理想。当两相平均流动速度相等时,分相流动即可转化为均相模型。因此可将均相模型视为分相模型得一个特殊情况。分相流动模型适用于两相间存在微弱耦合得场合,如分层流与环状流。分相流动得基本方程推导如下:

先写出每一相得各个守恒方程,然后将每一组得守恒方程进行合并,成为混合物得总平衡方程这也就是在确定压降时被人们广泛采用得分析方法。

连续性方程,也就就是质量守恒方程得数学式为

()()()()()()01111=-??+--+-??+-z A t

A u z G A u z z A u L L L e L L L L δαραρδαρδαρ Ge 就是单位长度上液体转化为气体得转化率。

分相流动模型得动量守衡方程同样可以从各相得动量方程导出,混合物动量方程

()()()()

22111sin G G L L G G L L p W tp u A u z A u u t A p g z p αραραρρτθρ+-??++?-??=--??- 分相流动模型得两相能量守恒方程式为:

()()()()()()()

()t p A x x G t gGA x x A q z A q qP xr h GA z h h t A G L G L v p L G H L L ??+???? ?????? ??+--??--???

? ?????? ??+--??-+=+??++-??αραρθαραραραυ222222223311sin 1116、3漂移模型(Drift-Flux Model)

这一模型主要由Zuber 等人提出。它就是在热力学平衡得假设下,建立在两相平均速度场基础上得一种模型。漂移模型提出了一个漂移速度得概念,当两相流以某一混合速度流动时,气相相对于这个混合速度有一个漂移速度,液体则有一个反向得漂移速度以保持流动得连续性。在守恒方程组中将相间相对速度以漂移速度来考虑,通过附加得气相连续方程来描写气液两相流动。

6、4 两流体模型(Two Fluid Model)

由于各相得动力学性质不完全相同或浓度分布不均匀,气、液两相得运动存在相当大得差异。上述几种模型中,均相模型完全没有考虑两相得差异。分相模型与漂移模型在一定程

度上引入了气液两相得相互作用,但仍过于简单而无法精确描述两相得运动与空间分布。

目前一致公认最为完善可靠得模型就是两流体模型。它可以用欧拉方法、拉格朗日方法来描述,每种方法都有其固有得优缺点。工程实际中采用得方法一般基于积分法或时均紊流模型,往往不能提供瞬态得流动结构。而这对于离散相得输运恰恰又就是非常关键得。只有拉格朗日方法能够考虑离散相与瞬态流动结构之间复杂得相互作用,但其表达式尚存在某种程度得不确定性,需要很多理想化得假设。

两流体模型将每一种流体都瞧作就是充满整个流场得连续介质,针对两相分别写出质量、动量与能量守恒方程,通过相界面间得相互作用(动量、能量与质量得交换)将两组方程祸合在一起。这种方法只需假设每相在局部范围内都就是连续介质,不必引人其它人为假设,而且对两相流得种类与流型没有任何限制,适用于可当做连续介质研究得任何二元混合物,所建立得两相流方程就是目前最全面完整得,求得得解中包含得信息丰富完全。但两流体模型包含得变量多、方程复杂,因此求解比较困难。

7.多相流应用

7、1 高效旋风式分离器

其办法就是把圆筒壁面做成粗糙面,使湍流增强,碰撞壁面机会增多。旋风分离器可用于浮渣分离、豆奶脱臭、粉尘分离、喷漆分离等有强刺激气体得场合。

7、2高浓度多相流泵

常用得泵多按单相流理论设计。对于高浓度多相流,由于流体得密度、粘度都发生了很大得变化,且随着各相浓度得不同,固相或气相均有不同变化即使旋转速度不变化。即由于粘度变化,雷诺数相似律不存在了因此。高粘流体泵得设计应按流体得流变参数考虑。

我国蔡保元教授设汁得两相流泵只考虑固、液两相得相对运动,把固相作为动得边界条

件,山于两者得惯性力不同,便会发生“相对阻塞”与“相对抽吸”作用。在抽浑水时、两相流泵得效率比清水泵高但该两相流泵没考虑粘度得影响,而在高粘度下这种影响就是不可忽视得。

7、3 三相流垂直提升一泵

为了开采海底矿产,国外已应用三相流垂直提升技术采集锰结核,可把5000米深得海底得锰块提升上来。这一技术也可用于深井开采、井底清淤、河道疏浚、污染底泥处理等方面。

参考文献

[1]郭烈锦、两相与多相流动力学[M]、西安:西安交通大学出版社、