两相流5
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两相流_第2章_两相流的流型和流型图
弹状流
3.乳沫状流(搅混流）
(1)特征 1)破碎的气泡形状不规则，有
许多小气泡夹杂在液相中； 2)贴壁液膜发生上下交替运动，
从而使得流动具有震荡性。 (2)出现范围
它是一种过渡流，一般出现在 大口径管中，小口径的管中观察不 到。
乳沫状流
4.环状流
(1)特征
1)贴壁液膜呈环形向上流动； 2)管子中部为夹带水滴的气柱； 3)液膜和气流核心之间存在波动界面。
(3)高液相流速下，液相紊流应力起着离散气相，阻碍气 泡聚合的作用，当紊流应力作用大于气泡受到的浮力时，将 阻止泡状流向弹状流的转变.
2. 水平管中分层流动的出现范围
(1)气相速度高，使分层面出现波浪，形成弹状流。消除 分层流动的蒸汽界限速度如下式表示：
W '' j
0.38
d 0.5
' ''
0.5
简 主适 发 易 导用 展 性 性性 性 原 原原 原 则 则则 则
竖直不加热管中的流型图片
水平不加热管中的流型图片来自2.9 管内淹没和流向反转过程的流型
一.气液两相逆向流动的两种极限现象
淹没（液泛）、流向反转（回流）
二.淹没和流向反转现象
1.气体流量由零开始增加
注水器
液体
底桶
气体
A
淹没过程实验现象
现在 0；.3 高压情况下， 较大仍为泡状流， P
泡状流
2.弹状流
(1)特征
1)大气泡与大液块交替出现，头部呈球 形，尾部扁平，形如炮弹；
2)气弹间液块向上流动，夹有小气泡； 3)气弹与管壁间液层缓慢向下流动。 (2)出现范围 1)低压、低流速, ， 0低.3压时气泡长 度可达1m以上； 2) P ,不 能 形成大气泡，当P>10MPa 时，弹状流消失； 3)出现在泡-环过渡区。
哈工程气液两相流第5章
3. 按均相流模型法计算得到的试验段内摩擦阻力压降
p p f p f 2 17 3.14 20.14 kPa
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lo G 2 D 2 lo
2 L lo Pf lo lo
2 2.求 lo dPf 3.求 dz
2.非绝热
x1 x2 均匀加热 x 2
dPf 2 lo dz lo
L 1 正弦加热 x xdz o L
三.前苏联锅炉水动力计算标准方法
dPf Pf dz
2 go
GD 0.3164
x 1 x 1
0.25
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二.采用平均粘度计算摩阻系数法
单相水的摩阻系数一般按布拉修斯（Blasius） 公式计算 0.25
lo 0.3164 Re
0.25 f
GD 0.3164
对于两相流体，两相摩阻系数：
0.3164 Re
0.25
GD 0.3164
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5.2 均相流模型的摩擦压降计算
一.基本关系式
摩擦压力梯度
汽液两相流工作原理
汽液两相流工作原理
汽液两相流工作原理是指当液体和气体同时存在于管道或设备中时，两者之间产生相互作用和相互影响的流动现象。
在汽液两相流中，液体相和气体相以不同的形态共存。
在较低的流速下，液滴悬浮在气体的载流介质中，形成所谓的乳液两相流；而在较高的流速下，液滴则以雾状或薄膜形式分布于气态流体中，形成所谓的雾状两相流。
汽液两相流工作原理可以简单概括为以下几点：
1. 相变：在两相流过程中，液体相和气体相之间可能发生相变，例如液体蒸发为气体或饱和蒸汽凝结为液体。
相变过程会伴随着热量的吸收或释放，并且会对流体的性质和行为产生影响。
2. 流体力学特性：汽液两相流具有一系列的复杂流体力学特性，如液滴的分布、液膜的形成、气泡的产生和破裂等。
这些特性受到流速、压力、温度、流道几何形状等因素的影响。
3. 相互作用：在汽液两相流中，液体相和气体相之间通过各种物理和化学机制进行相互作用。
例如，液滴之间可能发生碰撞、合并或分裂，气泡可能在液体中形成悬浮液滴，并且气体相和液体相的相对流动会对两相流的行为产生显著影响。
总之，汽液两相流工作原理涉及到流体力学、相变、相互作用等多个方面。
了解和掌握它们对于设计和优化流体系统以及提高系统效率具有重要意义。
两相流的流型和流型图
1 2 f
C
式中，m和c是两个常数，主要跟气体的入口条件有关，可 由试验来确定。一般情况下，m<1,c<1.
2）发生流向反转的条件
J 0.7
* g
3）液体被全部携带点判定条件
* Jg m
2.10 流型之间的过渡
1. 泡状流-弹状流的过渡
(1)气泡的聚结机理.气泡在碰撞聚结过程引起气泡的长 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。
泡状流
2.弹状流
(1)特征
1)大气泡与大液块交替出现，头部呈球 形，尾部扁平，形如炮弹； 2)气弹间液块向上流动，夹有小气泡； 3)气弹与管壁间液层缓慢向下流动。 (2)出现范围 1)低压、低流速, 0.3 ，低压时气泡长 度可达1m以上； 2) P ,不能形成大气泡，当P>10MPa 时，弹状流消失； 3)出现在泡-环过渡区。
2.坐标参数
横坐标
j Fr
g
jf gd
2
j2 gd
3 0.25
y w w w
纵坐标 V 1 V
2.4 水平管中的流动型式
2.气体流量逐渐减少 当气体流量降到某一值时， 液膜开始回落到注水器以下，此 点称为流向反转点。 在流向反转点后继续减少气 体流量至某一值时，全部液体恢 复向下流动，这点称为淹没消失 点。
淹没消失点与淹没开始点所 对应的气体流量不相等，淹没消 失点所对应的气体流量比淹没开 始点对应的气体流量小，这种现 象称为淹没消失滞后。
（Mishima &Ishii）
4.乳沫状流-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。 其判别式与上一节相同。
两相流、多相流
两相流的概念及类型两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。
若流动系统中物质的相态多于两个，则称为多相流，两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。
通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。
气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-液体系统。
固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。
两相流的流动形态有多种。
除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依据两相相对含量（常称为相比）、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件（管内、多孔板上、沿壁面等）划分流动形态。
对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。
两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变。
流动形态不同，则热量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。
例如多孔板上气液两相处于鼓泡状态时，正系统混合物（浓度增加时表面张力减低）的板效率(见级效率)高于负系统混合物（浓度增加时表面张力增加）；而喷射状态下恰好相反。
两相流研究的另一个基本课题，是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。
当分散相液滴或气泡时，有很多特点。
例如液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环流，界面上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。
这些都会影响传质通量，进而影响设备的性能。
两相流研究的课题，还有两相流系统的摩擦阻力，系统的振荡和稳定性等。
两相流研究模型两相流的理论分析比单相流困难得多，描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。
大量理论工作采用的是两类简化模型：①均相模型。
将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物，假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，但须对它的物理性质及传递性质作合理的假定；②分相模型。
两相流动概述
❖ 从开发更大功率动力堆的角度来看，这些反应堆具有一定的 优点（热工水力效率高、可优化利用堆芯内的铀等），但也 有许多技术上的问题（造价高、难于提高更大功率反应堆的 安全性等），相比之下，不如水堆（压水堆、沸水堆）的经 济性能好。
2. 第二代核电站
❖ 目前，世界各国在运行的核电站基本都属于第二代反应堆技术。第二代 反应堆的诞生有其必然性：一方面，核能在70年代提高了竞争力；另一 方面，一些国家意识到化石能源市场的紧张局势，希望通过发展核能， 减少对能源进口的依赖性。
国内核电的现状和发展趋势
❖ 现在基本上专家和领导意见接近一致，就是 先少量的还建几套二代的（核电站），与此 同时有直接和国外合作建第三代的，以后， 再系列地成批发展第三代的。
4. 第四代核电站
❖ 只是设立国际第四代核能系统论坛。目前，参与论 坛的共有包括阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、 韩国、南非、瑞士、英国和美国等十个会员国。论 坛的基本原则是：承认核能在可持续发展背景下具 有满足全球能源日益增长需求的优势，承认核能有 利于防止气候变化。这个原则已经明确写入了论坛 的总章，具体行动是通过国际研发合作，选择、开 发和促进2030年前后建设的第四代核能系统。
❖ 核安全是第三代反应堆设计的核心问题。为提高反应堆的安 全性能，主要从以下四个方面开展工作：
❖ ——尽量降低放射性的剂量率； ❖ ——设计相应的系统，将事故状态恢复到安全状态； ❖ ——降低熔堆概率：一方面降低初始事件的发生概率，另一
方面提高安全系统的可靠性。 ❖ ——严重事故状态下，通过加强安全壳的安全性（采用堆芯
三、课外新知识（CFD）了解
❖ CFD的英文全称是Computational Fluid Dynamics，中文：计算流体动力学或计算流 体力学。CFD求解问题的基本思想如下：
2. 第二代核电站
❖ 目前，世界各国在运行的核电站基本都属于第二代反应堆技术。第二代 反应堆的诞生有其必然性：一方面，核能在70年代提高了竞争力；另一 方面，一些国家意识到化石能源市场的紧张局势，希望通过发展核能， 减少对能源进口的依赖性。
国内核电的现状和发展趋势
❖ 现在基本上专家和领导意见接近一致，就是 先少量的还建几套二代的（核电站），与此 同时有直接和国外合作建第三代的，以后， 再系列地成批发展第三代的。
4. 第四代核电站
❖ 只是设立国际第四代核能系统论坛。目前，参与论 坛的共有包括阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、 韩国、南非、瑞士、英国和美国等十个会员国。论 坛的基本原则是：承认核能在可持续发展背景下具 有满足全球能源日益增长需求的优势，承认核能有 利于防止气候变化。这个原则已经明确写入了论坛 的总章，具体行动是通过国际研发合作，选择、开 发和促进2030年前后建设的第四代核能系统。
❖ 核安全是第三代反应堆设计的核心问题。为提高反应堆的安 全性能，主要从以下四个方面开展工作：
❖ ——尽量降低放射性的剂量率； ❖ ——设计相应的系统，将事故状态恢复到安全状态； ❖ ——降低熔堆概率：一方面降低初始事件的发生概率，另一
方面提高安全系统的可靠性。 ❖ ——严重事故状态下，通过加强安全壳的安全性（采用堆芯
三、课外新知识（CFD）了解
❖ CFD的英文全称是Computational Fluid Dynamics，中文：计算流体动力学或计算流 体力学。CFD求解问题的基本思想如下：
两相流模型的解
两相流模型的解
两相流模型的解依赖于具体的问题和模型的形式。
两相流模型通常涉及到描述两种不同流体（如液相和气相）的流动性质、相互作用以及界面行为等。
解两相流模型的一般方法包括数值方法和解析方法。
1. 数值方法：通过将模型离散化为离散网格，在数值计算中求解模型方程组。
常用的数值方法包括有限差分法、有限体积法和有限元法等。
这些方法可以通过迭代求解模型方程组，得到两相流场的解。
2. 解析方法：针对简化的两相流模型，可以使用解析方法求解。
这些方法基于对模型方程进行分析和近似处理，得到封闭解或近似解。
解析方法的优势在于提供了更详细的物理信息和洞察力，但通常仅适用于特定的问题和简化的模型。
需要注意的是，两相流模型的解往往是复杂且多变的，因为涉及到两相流动中的诸多挑战，如相变、界面运动以及相互作用等。
因此，在解两相流模型时，需要考虑模型的适用性、合理性，以及对实际问题的有效性和可靠性进行评估。
此外，了解具体问题的边界条件和约束，以及选择适当的数值方法或解析方法，都对获得准确和可行的解非常重要。
两相流数值模拟(第5讲)-两相流数值模拟方法分类0420
针对不同的具体问题，实施连续介质力学方法的模型又可分为两类： （1） 欧拉－拉格朗日方法：
如：颗粒动力学模型， 颗粒群模型等
（2）欧拉－欧拉方法： 如：均相模型 小滑移模型 分相模型 多流体模型
两相流数值模拟方法的分类
第三，介观层次的数值模拟方法。
（1）流体本来是由离散的分子所组成，通常将流体当作连续介质来 处理；
两相流数值模拟方法的分类
分子气体动力学模型
分类方法很多
离散的介观层次格子类方法
格子－气体（Lattice Gas）法 格子－波尔兹曼（Lattice Boltzman）方法
均相模型
气体动力学模型 颗粒群轨道模型 拟流体模型
均相模型
连续介质模型 Eulerian
这类方法从微观层次上将多相流看作是大量离散分子的集合，流体的运动特性 由这些离散分子的相关特性的统计平均来决定。
比较典型的如直接蒙特卡洛模拟(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC )方 法，最近10余年内得到迅速发展。
这类方法由于需要对计算区域内每一个分子的力学行为进行描述与计算，因而 所需计算机内存很大，目前还无法应用到复杂流场计算中。
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： ２）上述分类方法并不一定百分之百地科学，可有多种分类方法。
由于与单相连续介质力学模型的内在本质联系，经典的连续介质力学方法最易 为人们所理解和接受，直接推广和延伸到两相流应用领域。
连续介质力学方法是当今应用最为广泛的方法，连续介质力学模型可分为两类：
欧拉－拉格朗日方法 欧拉－欧拉方法
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： １）在实际应用中，需要结合研究具体目标，灵活采用不同的方法及其组合。
如：颗粒动力学模型， 颗粒群模型等
（2）欧拉－欧拉方法： 如：均相模型 小滑移模型 分相模型 多流体模型
两相流数值模拟方法的分类
第三，介观层次的数值模拟方法。
（1）流体本来是由离散的分子所组成，通常将流体当作连续介质来 处理；
两相流数值模拟方法的分类
分子气体动力学模型
分类方法很多
离散的介观层次格子类方法
格子－气体（Lattice Gas）法 格子－波尔兹曼（Lattice Boltzman）方法
均相模型
气体动力学模型 颗粒群轨道模型 拟流体模型
均相模型
连续介质模型 Eulerian
这类方法从微观层次上将多相流看作是大量离散分子的集合，流体的运动特性 由这些离散分子的相关特性的统计平均来决定。
比较典型的如直接蒙特卡洛模拟(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC )方 法，最近10余年内得到迅速发展。
这类方法由于需要对计算区域内每一个分子的力学行为进行描述与计算，因而 所需计算机内存很大，目前还无法应用到复杂流场计算中。
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： ２）上述分类方法并不一定百分之百地科学，可有多种分类方法。
由于与单相连续介质力学模型的内在本质联系，经典的连续介质力学方法最易 为人们所理解和接受，直接推广和延伸到两相流应用领域。
连续介质力学方法是当今应用最为广泛的方法，连续介质力学模型可分为两类：
欧拉－拉格朗日方法 欧拉－欧拉方法
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： １）在实际应用中，需要结合研究具体目标，灵活采用不同的方法及其组合。
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2011-112011-11-23
• 麦克达姆 麦克达姆(MeAdam)计算式 计算式
1 x 1− x = + µ µg µl
•
西克奇蒂(Cicchitti) 西克奇蒂(Cicchitti)计算式 (Cicchitti)计算式
µ = xµg + (1− x)µl
•
德克勒(DukIer) 德克勒(DukIer)计算式 (DukIer)计算式
• 由上式可看出，两相流加速压降通常由 由上式可看出， 两部分组成： 两部分组成： – 第一项是出于两相流密度沿管长 的变 第一项是出于两相流密度沿管长z的变 化而引起的加速压降。 化而引起的加速压降。这一变化是出 于加热或冷却， 于加热或冷却，以及压力变化使工质 膨胀或收缩而引起的。 膨胀或收缩而引起的。 – 后一项表示流通面积 沿管长 的变化 后一项表示流通面积A沿管长 沿管长z的变化 而引起的加速压降。 而引起的加速压降。
2×104 < Re < 2×106
13/134 13/134
Prandtl公式 Prandtl公式 对层流
• •
1
λ
= −0.8 + 2log Re λ
(
)
64 λ= Re
（2）粗糙管的摩阻系数 Colebrouk和White公式 Colebrouk和White公式
1 2.51 δ = −2log + 3.71dh λ Re λ
4
τ wU
摩阻系数f在英美文献中常定义为
2011-112011-11-23 11/134 11/134
τw = f
ρw2
2
合并上二式， 合并上二式，即得摩阻压降梯度为
dp f 4 4 f ρw2 λ ρw2 = τw = = dz d d 2用，显 式中， 叫摩阻系数，在我国广泛采用， 然 λ =4f
2011-112011-11-23 10/134 10/134
摩擦压降
• 一、均相流模型的摩擦压降计算式 • 在均相模型中两相流被看作“单相流体”， 在均相模型中两相流被看作“单相流体” 其物理参数是气液两相的相应参数的平均 值。单位截面积的流体与壁面的摩擦力可 表示为
τ wπd 4 dp f = dz = dz = τ wdz 2 πd A d
• •
1.单相流 1.单相流 在单相流中，某一管段dz dz上的摩擦压降也 在单相流中，某一管段dz上的摩擦压降也 写成
12/134 12/134
2011-112011-11-23
dp f dz
=
λ ρw2
d 2
• 式中，λ=f(Re，δ/d)，即摩阻系数为雷诺 式中， ， ， 数和相对粗糙度的函数，其值如下： 数和相对粗糙度的函数，其值如下：
dp f = dz dz
15/134 15/134
• •
（2）两相流摩阻全液相表观系数 两相流摩阻全液相表观系数定义为
dz = λ 1+ x vg −1 φ = v λl 0 dp f l dz l 0
2 l0
dp f
•
对于液体采用Blasius公式计算， 对于液体采用Blasius公式计算，则 Blasius公式计算 （3）全气相摩阻梯度 气相质量流量与两相流总质量流量相同时 的气相摩阻梯度称之为全气相摩阻梯度
md - 1 0.3164 4 λl 0 = = 0.3164 µ 4 Re l l
2011-112011-11-23
7/134
重力压降
• 动量方程的重力压降梯度为
∂pg ∂z = ρg sin θ
其中两相混合物的平均密度应为
ρ = ϕρg + (1−ϕ)ρl
对管长为L的管段， 对管长为L的管段，重力压降为上式的积分
∆pg = ∫ ρg sin θ z = ∫ ρgϕ + ρl (1−ϕ) g sin θdz
2011-112011-11-23
∂pa = m2d + + − dA ρl (1−ϕ) ρgϕ A ρl (1−ϕ) ρgϕ
2/134
2 (1− x)2 x2 m2 (1− x) x2 2 ∂pa = m d + + − dA ρl (1−ϕ) ρgϕ A ρl (1−ϕ) ρgϕ
ρl ρ= + 1− β β 1 1+ β s 1+ 1− β s
9/134
ρg
2011-112011-11-23
ρl ρ= + 1− β β 1 1+ β s 1+ 1− β s
ρg
• 当已知工质沿管长 的吸热规律时，便可 当已知工质沿管长z的吸热规律时， 的吸热规律时 找出含汽率(x或 沿管长的变化规律 沿管长的变化规律， 找出含汽率 或β)沿管长的变化规律， 则重力压降积分式中的变量z便可用 或β 则重力压降积分式中的变量 便可用x或 便可用 替换。因此，要完成公式的积分， 替换。因此，要完成公式的积分，关键 是要找到空隙率与β(或 的关系 的关系， 是要找到空隙率与 或x)的关系，或者 要找到滑动比与β(或 的关系 的关系。 要找到滑动比与 或x)的关系。
•
• • • •
按上式计算两相摩阻系数的关键是如何确 定两相平均粘度μ 定两相平均粘度μ。 计算平均粘度μ应当满足下列条件： 计算平均粘度μ应当满足下列条件： x=0时 当x=0时，μ= μl x=1时 当x=1时， μ= μg 计算平均粘度的常用公式有： 计算平均粘度的常用公式有：
18/134 18/134
dz = d 2 vl l 0
• •
代入式 得
dp f
dp f
4 4 f ρw2 λ ρw2 = τ wdz = = dz d d 2 d 2
vg λ 1+ x −1 v λ l 0 l l 0
2011-112011-11-23
L L 0 0
[
]
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8/134
∆pg = ∫ ρg sin θdz = ∫ ρgϕ + ρl (1−ϕ) g sin θdz
L L 0 0
[
]
两相滑动比与空隙率的关系式为
1 ϕ= 1 1+ s −1 β 代入平均密度公式： 代入平均密度公式： ρ = ϕρg + (1−ϕ)ρl
Prandtl公式 Prandtl公式
1
2011-112011-11-23
dh = 2 log +1.14 λ δ
14/134 14/134
• 2.两相流 两相流 • 在计算两相流摩擦压降时，常采用下述定 在计算两相流摩擦压降时， 义。 – （1）全液相摩阻梯度 ） – 液相质量流量与两相流总质量流量相同 液相质量流量与两相流总质量流量 质量流量相同 时的液相摩阻梯度称之为全液相摩阻梯 度 dp f λl 0 m2
md - 1 0.3164 4 λg0 = = 0.3164 µ 4 Re g g
2011-112011-11-23 17/134 17/134
• 对于均相流，两相混合物的摩阻系数为 对于均相流，
md - 1 0.3164 4 λ= 4 = 0.3164 µ Re
2011-112011-11-23 3/134
• 若在等截面直管中，气液混合物从位置z1流 若在等截面直管中，气液混合物从位置 则上式中第二项为零， 到z2，则上式中第二项为零，加速压降成为
2 2 2 (1− x )2 x2 (1− x1 ) x1 2 ∆pa = m2 + − + ρl (1−ϕ2 ) ρgϕ2 ρl (1−ϕ1 ) ρgϕ1
(∆pa )均相 ε= (∆pa )分相
2011-112011-11-23
ρl x −1 ρ g = 2 2 x ρl (1− x) + −1 ϕ ρg (1−ϕ)
5/134
• 下图是按公式对汽水混合物的计算结果。 下图是按公式对汽水混合物的计算结果。 从图中可清楚地看出，在临界压力以下， 从图中可清楚地看出，在临界压力以下， 比值总大于1，且随压力的增高而减小。 比值总大于 ，且随压力的增高而减小。
• •
2011-112011-11-23
16/134 16/134
dp f dz
• •
λg 0 m2 = vg g 0 d 2
（4）两相流摩阻全气相表观系数 两相流摩阻全气相表观系数定义为
dp f vg λ vl 2 dz φg 0 = = 1+ x −1 v λg0 vg dp f l dz g 0
第五章 两相流动的阻力计算
• • • 加速压降 重力压降 摩擦压降
2011-112011-11-23
1/134
加速压降
• 一、加速压降计算公式 从上一章可知， 从上一章可知，稳定流动时两相流的总压 降等于 2 ∂p τ wU 1 ∂ 2 (1− x) x2 − = + ρg sin θ + Am + ∂z A A ∂z ρl (1−ϕ) ρgϕ 此时加速压降为 2 ∂pa 1 ∂ 2 (1− x) x2 = Am + ∂z A ∂z ρl (1−ϕ) ρgϕ 即 2 (1− x)2 x2 m2 (1− x) x2
(1− x)2 x2 1 2 ∆pa = m + − ρl (1−ϕ) ρgϕ ρl