第二章 气固两相流动的基本概念和特性参数
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气液两相流的性质和计算方法
气液两相流的性质和计算方法气液两相流是指气体和液体同时存在并混合流动的流体系统。
它在工业领域和自然界中都具有重要的应用价值，例如石油开采、化工生产以及大气湍流等。
了解气液两相流的性质和计算方法对于工程设计和科学研究都至关重要。
本文将介绍气液两相流的基本特性以及常用的计算方法。
一、气液两相流的性质1. 相态及其转变：在气液两相流中，气体和液体是两种不同的相态。
相态的转变主要涉及气体与液体之间的相互作用。
常见的气液相态转变有蒸发和凝结。
蒸发是液体转变为气体的过程，凝结则相反，是气体转变为液体的过程。
2. 平衡态：在气液两相流中，气相和液相之间存在着平衡态，即气体和液体之间的能量和质量交换达到平衡。
平衡态可以通过温度、压力和相对湿度等参数进行描述。
在一定的温度和压力条件下，气体和液体之间会达到平衡态，这对于计算气液两相流动参数至关重要。
3. 流速及测量方法：气液两相流的流速可以通过多种方法进行测量，常用的方法有雷诺数法、回收法和瞬时测量法等。
雷诺数法利用流速以及流动的截面积来计算气液两相流的饱和度，从而推导出流速。
回收法则通过测量液体回收某一时间段内的质量差异来计算流速。
瞬时测量法则是在气液两相流过程中通过传感器实时测量流速。
二、气液两相流计算方法1. 流动模型：在计算气液两相流动时，常用的模型有欧拉模型和拉格朗日模型。
欧拉模型是基于连续方程和动量方程的宏观计算方法，适用于大规模流体系统的计算。
拉格朗日模型则是基于颗粒运动方程的微观计算方法，适用于小尺度的气液两相流计算。
2. 数值模拟方法：气液两相流的数值模拟是一种常用的计算方法。
通过将流体系统划分为离散的网格单元，利用数学模型和计算算法对流体动力学进行数值求解。
常用的数值模拟方法有有限差分法、有限元法和计算流体力学（CFD）等。
3. 实验方法：为了验证理论计算结果和数值模拟方法的准确性，常常需要进行实验研究。
实验方法可以通过流体试验和实验观测两种途径进行。
锅炉气固两相流基础理论
2. 颗粒球形度 表征颗粒接近球形的程度。球形度数值越小，颗 粒偏离球形越远。用实测方法获得。 •
3.宽筛分颗粒的平均粒径
• 筛分重量平均直径：dav=∑xidi • Xi—不同直径颗粒份额 • Di—颗粒各种不同粒径，用不同孔径的筛子表示 • 对孔径小于25.4mm的孔，用25.4mm长度上的 孔数表示，简称“目” • 表3-3 为我国常用的泰勒标准筛的目数（25.4mm 长度上孔数）和对应孔径（相邻网线间的孔径）
3.颗粒的扬析和夹带
• 夹带：指单一颗粒或多组分系统中，气流从床层 • 中带走固体颗粒的现象。 • 扬析：从混合物中分离和带走细粉的现象。
二、 炉内颗粒浓度分布
• • • • • • • • •
1. 颗粒浓度沿床高（轴向） 分布规律 从颗粒浓度沿床高的分 布特征看，处于不同流型 状态的流化床内的颗粒浓 度沿床高分布规律差别很大。 从总体上讲，循环流化床炉 内颗粒浓度一般呈上稀下浓 的不均匀分布，如图2-21所示。
•
通常，对于挥发分较高的煤，粒径允许范围较 大，筛分较宽；对于挥发分较低的无烟煤、煤矸 石，一般要求粒径较小，相对筛分较窄。 • 国内目前运行的循环流化床锅炉，其燃料粒径 要求一般在0.1～10mm、0.1～l5mm，特殊的要求 0.1～20mm，这些燃料粒径要求范围较大，均属 宽筛分。
• 6．燃料颗粒特性—称燃煤的粒比度 • 是选择制煤设备和锅炉运行的参数 • 细颗粒多,一般炉温整体高,燃烧后燃 • 粗颗粒多,影响排渣,炉膛易结焦 • 7．流化速度--空塔速度,不是一个常量,指床料或物 料流化时动力流体的速度 • 运行中控制和调整风量,就控制盒调整了流化速 度,即控制炉内物料的流化状态 • 一次风:通过布风板和风帽使床料(或物料)流化起 • 来的空气
气固两相流体力学
颗粒在气相中做变速运动，由于变速运动增加的阻力，其表达 式为：
F B a3 2d p 2(
1t
1d
g g)2t0(t t')2d t(v g vp)d t'
对其气固两相流，Basset力为颗粒沉降阻力（斯托克斯阻力） 的十分之一，通常忽略其影响；但对于液固流，该力必须考虑。
10.2.7 Saffman升力
颗粒开始出现运动噎塞，形成料栓，运动变为不稳定状态。
9
气固颗粒两相流体力学
4. 柱状流 栓状的固相颗粒聚集，形成料柱。
10.3.2 水平管道内的流型 1. 均匀流
固相在管道横截面内分布均匀，流动通畅。 2. 疏密流
重力作用显现，颗粒分布呈疏密不一分布，底部颗粒跳跃前进。 3. 沙丘流
颗粒在重力作用下开始沉降，在管道下部形成波纹状沙丘。 4. 栓状流
单位管长中颗粒质量与输送气体的质量之比称为真实混合比。
'q qm m g p//v vg p g p '' 1 g p1 v vg p
5
气固颗粒两相流体力学
10.2 作用在固体颗粒上的力 气固两相流问题的解决依赖于颗粒相与气相之间的动量交换，
为了很好地计算动量交换，必须对它们之间相互作用力给出描述。 10.2.1 重力
固体颗粒在有速度梯度的流场中运动时，颗粒两侧流速不同导致
一个由低速区指向高速区的作用力。对于低雷诺数流动区域
（Re<1）：
F s 1 .6 1 d p 2 (gg ) 1 /2 ( v g v p )|d v g /d y |1 /2
8
气固颗粒两相流体力学
10.2.8 Magnus效应 固体颗粒在气相中存在旋转时，会产生一个与流动方向垂直的、
两相流2
xM wg ρ g x x ϕ= = = ρg xM (1 − x)M (1 − x)wg ρ g x + (1 − x)s + x+ ρl wg ρ g wl ρl wl ρl
xvg xρl = = xρl + (1 − x)sρ g xvg + (1 − x)svl
vl 1−ϕ = = xρl + (1 − x)sρ g xvg + (1 − x)svl
26/157 26/157
2011-112011-11-23
2011-112011-11-23
27/157 27/157
– 漂移速度
wD = wg − wH = G xvg + (1− x)vl s − G xvg + (1− x)vl = G(1− x)vl (s −1) = wl 0 (s −1) wg − wl ws = wl 0 w = wl 0 w = (1−ϕ)ws l l
2011-112011-11-23 9/157
含气率与含液率
• 质量含气率与质量含液率 – 质量含气率：气相质量流量与混合物 质量含气率： 质量流量之比；在水-蒸汽系统也称干 质量流量之比；在水 蒸汽系统也称干 度。在核反应堆工程中称空泡份额或 空泡率 M g Gg
x= M = G
– 质量含液率： 质量含液率：
2011-112011-11-23
24/157 24/157
– 液相速度
wl = (1− x)M = (1− ϕ)ρl A G(1− x) (1− x)sρl ρ g xρl + (1− x)ρ g s = G xvg + (1 − x)vl s s
[
汽液两相流动的基本概念
汽液两相流动的基本概念1. 引言汽液两相流动是指同时存在气体和液体两相的流动现象。
它在工程中具有重要的应用，如化工、石油、能源等领域。
本文将介绍汽液两相流动的基本概念，包括定义、特点、分类以及常见的流动模式等内容。
2. 定义汽液两相流动是指气体和液体同时存在并在一定空间内同时流动的现象。
在这种流动中，气体相和液体相之间存在明显的相互作用力，例如气泡、液滴、涡旋等。
3. 特点汽液两相流动具有以下特点：3.1 多相特性汽液两相流动中同时存在气相和液相，因此它是一种多相流动现象。
在流体动力学和传热学中，对多相流动的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
3.2 相互作用力汽液两相流动中，气体相和液体相之间存在相互作用力，这种力是流动过程中重要的影响因素之一。
例如在气泡形成和液滴破裂过程中，相互作用力的变化会导致流动特性的变化。
3.3 相变现象在汽液两相流动过程中，气体相和液体相之间可能发生相变现象。
相变现象会引起流动特性的变化，如气泡融合会导致流动阻力的增加。
4. 分类汽液两相流动可以根据流动性质、流速、液体表面张力等因素进行分类。
4.1 流动性质分类根据气体和液体相对流动速度的大小，可以将汽液两相流动分为气体连续相和液体连续相两种情况。
当气体相速度远大于液体相速度时，称为气体连续相，反之称为液体连续相。
4.2 流速分类根据流速的大小，可以将汽液两相流动分为亚临界流动和超临界流动两种情况。
亚临界流动是指流速低于气体临界速度的流动，超临界流动是指流速高于气体临界速度的流动。
4.3 表面张力分类根据液体表面张力的大小，可以将汽液两相流动分为低表面张力流动和高表面张力流动两种情况。
低表面张力流动指的是液体表面张力较小的流动，高表面张力流动指的是液体表面张力较大的流动。
5. 常见的流动模式汽液两相流动中常见的流动模式包括气泡流动、液滴流动、涡旋流动等。
5.1 气泡流动气泡流动是指在液体中存在气泡并随流体流动的过程。
第二章 气固两相流动的流型
• 目前，流型辨识有：直接测量。这些算法 由于受各种因素的影响，造成流型判别不 准。如：功率谱密度函数分析法 、模糊神 经元网络辨识 等等
2.3.1 水平管道内的流型 当通过管道的气流速度由高速向低速变化时，会 出现以下几种流型。 1. 均匀流 当空管速度比经济气流速度高出许多，即气流速 度为高速紊流时，颗粒群在气流中飞翔跳跃、悬 浮输送，而且在管道的所有截面均匀分布。 2. 疏密流 随着空管速度的降低，但仍高于经济气流速度， 重力的影响显著起来，颗粒群在气流中呈上下疏 密不一的非均匀分布，大部分颗粒虽仍悬浮着输 送，但管底颗粒则是滚动跳跃向前推进。
流型是气力输运问题中的重要参数，它的 精确测量为气力输运的安全性和经济性提 供保障，特别是在阻塞时，这一特殊流型 是最易引发事故的。确定气固两相流的流 型对于其它流动参数的精确测量也是必要 的。
• 有许多关于流型研究的报告，文献探索了
压力波动信号与流型之间存在的某些关系， 但由于气固两相流流型的模糊性、不确定 性等流动过程中的复杂因素，使得流型的 在线测量到至今尚无比较有效的方法。
• 在电力工业中，大型电站锅炉燃烧系统中送粉管
道内煤粉－空气混合物是典型的气固多相流动， 其流速变化、浓度分布直接影响着锅炉各燃烧器 喷出射流的刚性，特别对于四角切圆燃烧锅炉就 会影响炉内空气动力工况，进而也决定了炉内燃 烧的稳定性和效率，因而非常有必要开发一种技 术对管内煤粉气流的流型进行有效的检测，以便 决定管内气固多相流动的状态，这样可以及时调 整锅炉燃烧系统风粉分配均匀性，防止管内发生 堵管现象，可以有效地提高发电机组的安全经济 性。
气固两相流动的流型
• 在工业生产过程中，将块状原料经过研磨而成粉粒体，采
用气力输送原料的粉粒体输送系统，可以大大提高输送效 率、减少污染、降低成本、提高质量。在冶金、化工、建 材、电力等部门已得到广泛应用。由于粉粒体具有与固体、 气体和液体不同的特性，受其湿度、粘附性的影响，加上 输送气体压力的波动、输送的煤粉流动状况不稳定，常会 出现管道“堵塞” 出现管道“堵塞”现象，造成输送系统瘫痪，从而影响正 常生产。通过研究流型辨识算法，对气固两相流流型进行 有效的预测和判别，对气力输送系统相关设备进行实时控 制，可以防止“堵塞” 制，可以防止“堵塞”现象的发生。
第二章 气固两相流动的基本概念和特性参数
4. 数密度
单位体积混合物所含固体颗粒的数目称为固相的
数密度，即
n N V
(2-9)
两相混合物的密度
W /V g (1 )p (2-10)
这是按体积份额计算的。如按质量份额计算，则
有
1 1
g p
（2-11）
5．球形度
实际的颗粒大都是不规则的形状，并不是球形的。 因此，把颗粒看作为球形进行理论分析一定会与 实际情况不一致。一般需要将理论公式进行修正。
球形度表示颗粒接近球形的程度，它的表达式是 非球形颗粒的实际表面 A p 与非球形颗粒同体积的 圆球表面积 A s 之比，即
As / Ap
（2-12）
• 球形度与空隙率有关，球形度越小，在密
度填充时，由于表面形状极不规则，颗粒
可以互相交错，使空隙率减小。在松散填 充时，颗粒间空隙增大，空隙率也增大。
2）间接测定的有效直径(沉降颗粒直径)：根据颗 粒在气体或液体中的沉降速度求得颗粒的有效直 径。它主要用于测定不能用筛网计测的极小微粒。 首先测定出球体颗粒的沉降速度，再根据公式求 出沉降速度相应的球体直径。
• 3．粒度分布
颗粒物料中通常包含有各种不同粒径的颗粒，对 不同粒径的颗粒在物料中所占的百分数，可以用 粒度分布表示。颗粒度分布曲线的作法如下：首 先取出一部分代表性物料，将颗粒径按几微米大 小的间隔进行分区，分别测定个颗粒粒径间隔间 的颗粒重量或颗粒个数。然后以颗粒径为横坐标， 以相同颗粒径间隔(10) 之间的颗粒重量(或颗粒数) 的百分数为纵坐标，画出矩形图。最后将所画出 的各矩形上面的线段的中点连接，便可以得到颗 粒度分布曲线。
平衡流与冻结流可以用斯托克斯相似准则数加以
区别，该相似准则是空气动力响应时间和流动的 滞留时间的比值。
气力输送之气固两相流
用气力输送系统输送物料必须保持一定的压力，尽管使用300lb/in2(2MPa)高气源压 力是不常见的，临界高背压输送相对来说是少的，如果有，需要管道分段。在分段基础 上设计长距离气力输送系统。
1.4 输送气体速度
气力输送系统的风机、压缩机或负压风机除气源压力外引入容积流量参数，尽管输
送空气速度尤其是输送线入口速度或拾取速度决定气力输送设计参数。在单一管径下不 管是正压或负压输送系统,管线始端的物料给料点总是风速最小。
2.2.2 案例分析
输送管线压力损失对粒子浓度影响超过了输送空气流量，用普通的硅酸盐水泥、含 沙的矾土和聚乙烯颗粒三种完全不同的物对应的输送方式。
用同一轴上显示三种物料输送资料以便于直观比较它们的输送能力，这三种物料分 别经图4.2所示管线进行输送研究。气速200ft/min(10m/s)表压100lb/in2(689.5KPa)，发送 罐以上出料形式将物料送至管道，用来输送物料最大压力值是表压40lb/in2(275.8KPa)。
试验范围应包括物料输送模式，以往的可用经验很少时，按比例增加气源压力、 管径、输送距离、用已有的资料预测管道参数。假如不能按比例增加输送模型，推断出 长距离、高固体填充率和最低输送气速范围是多少，不要冒然用于实际，除非证明物料 就是像这样产能输送的。
2.1 输送模式
高压常见于稀相输送，假如物料适合稀相输送模式。物料特性影响输送形式，同一 输送条件下物料流量也存在差异，成功设计以前未曾尝试过的物料输送，试验是至关重 要的。所以输送试验中必须有附加的高压空气，建立输送界限和一个非常宽输送范围条 件。
稀相悬浮流阻力是输送管线压力损失主要贡献者，不管从给料点或直管段或弯头加 速粒子，不同的物料表现不同,这差异在本章中将成为重点，作为主要参数将贯穿本手册。
1.4 输送气体速度
气力输送系统的风机、压缩机或负压风机除气源压力外引入容积流量参数，尽管输
送空气速度尤其是输送线入口速度或拾取速度决定气力输送设计参数。在单一管径下不 管是正压或负压输送系统,管线始端的物料给料点总是风速最小。
2.2.2 案例分析
输送管线压力损失对粒子浓度影响超过了输送空气流量，用普通的硅酸盐水泥、含 沙的矾土和聚乙烯颗粒三种完全不同的物对应的输送方式。
用同一轴上显示三种物料输送资料以便于直观比较它们的输送能力，这三种物料分 别经图4.2所示管线进行输送研究。气速200ft/min(10m/s)表压100lb/in2(689.5KPa)，发送 罐以上出料形式将物料送至管道，用来输送物料最大压力值是表压40lb/in2(275.8KPa)。
试验范围应包括物料输送模式，以往的可用经验很少时，按比例增加气源压力、 管径、输送距离、用已有的资料预测管道参数。假如不能按比例增加输送模型，推断出 长距离、高固体填充率和最低输送气速范围是多少，不要冒然用于实际，除非证明物料 就是像这样产能输送的。
2.1 输送模式
高压常见于稀相输送，假如物料适合稀相输送模式。物料特性影响输送形式，同一 输送条件下物料流量也存在差异，成功设计以前未曾尝试过的物料输送，试验是至关重 要的。所以输送试验中必须有附加的高压空气，建立输送界限和一个非常宽输送范围条 件。
稀相悬浮流阻力是输送管线压力损失主要贡献者，不管从给料点或直管段或弯头加 速粒子，不同的物料表现不同,这差异在本章中将成为重点，作为主要参数将贯穿本手册。
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（2-6）
• 混合比z是一个无量纲量。它是气固两相流
中一个很重要的参数。它的大小直接影响 输送管道内压力损失。混合比越大，对于 增大输送能力来说是有利的。但混合比过 大，在同样气流速度下可能产生堵塞，输 送压力也增高。因此混合比的数值受物料 的物理性质、输送方式以及输送条件等因 素的控制。
球非圆形球球度形表表颗 面示粒 积颗的A s粒实之接际比近表，球面即形A p的与程非度球，形它颗的粒表同达体式积是的
As / Ap
（2-12）
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• 球形度与空隙率有关，球形度越小，在密
度填充时，由于表面形状极不规则，颗粒 可以互相交错，使空隙率减小。在松散填 充时，颗粒间空隙增大，空隙率也增大。
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• 3．粒度分布
颗粒物料中通常包含有各种不同粒径的颗粒，对 不同粒径的颗粒在物料中所占的百分数，可以用 粒度分布表示。颗粒度分布曲线的作法如下：首 先取出一部分代表性物料，将颗粒径按几微米大 小的间隔进行分区，分别测定个颗粒粒径间隔间 的颗粒重量或颗粒个数。然后以颗粒径为横坐标， 以相同颗粒径间隔(10) 之间的颗粒重量(或颗粒数) 的百分数为纵坐标，画出矩形图。最后将所画出 的各矩形上面的线段的中点连接，便可以得到颗 粒度分布曲线。
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• 4．平均粒径
平均粒径是颗粒群中大小各不相同的粒径的平均 值。平均粒径可定量地表示颗粒群的大小。确定 平均粒径的方法很多，大致有算术平均、几何平 均、调和平均、面积长度平均、体面积平均、重 量平均、平均表面积、平均体积、比表面积、中 径和多数径等。其中应用最多的是中径和多数径。 同一颗粒群用各种方法平均后，会得到各种不同 的平均粒径值。
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2.1.3 气固两相流动的基本特性 1．稀相和浓相
顾名思义，稀相是指气相中悬浮着很少的 固体颗粒。浓相是指气相中含有很多的悬 浮颗粒。要确切地给出稀相和浓相的界限 是很困难的。
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浓度通常的指单位容积的气固两相混合物 内所含的颗粒质量。
cW Vp V VpW Vpp (1)p
（2-7）
输送浓度是指单位时间内单位容积的气体
所输送的固体重量，用符号 表示。
WpgWpgWg
Vg Wg Vg
zgg
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（2-8）
• 输送浓度是有量纲量。对于稳定的均匀流
动，混合比在管道内各部分都是一定的。 但是，输送浓度由于空气的膨胀（或压 缩），引起空气密度的减小（或增大）， 而使输送浓度逐渐变小（或增大）。在流 道的不同位置上，输送浓度的变化又直接 影响该处的能量消耗，所以对于这种流动 可以用输送浓度来计算压力损失值。
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4. 数密度
单位体积混合物所含固体颗粒的数目称为固相的
数密度n ， 即N V
(2-9)
两相混 合W 物的/V 密度 g (1 )p(2-10)
这是按体积份额计算的。如按质量份额计算，则
有 1 1
g p
（2-11）Leabharlann 精品课件5．球形度
实际的颗粒大都是不规则的形状，并不是球形的。 因此，把颗粒看作为球形进行理论分析一定会与 实际情况不一致。一般需要将理论公式进行修正。
气体分子分布均匀，而颗粒是分散的、直径大小不同，为 了简便起见仅考虑一个平均尺寸。 颗粒相一般不作为连续介质。 颗粒相的惯性比较大，气体和颗粒之间存在着速度的滑移， 因而各自运动规律会相互影响。 颗粒之间以及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。 由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有 不同速度。
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1）直接测定的当量直径(显微镜粒径)：当颗粒的 大小能用显微镜直接测定时可以取投影面一定方 向上的各个颗粒的最大尺寸作为颗粒的粒径。 2）间接测定的有效直径(沉降颗粒直径)：根据颗 粒在气体或液体中的沉降速度求得颗粒的有效直 径。它主要用于测定不能用筛网计测的极小微粒。 首先测定出球体颗粒的沉降速度，再根据公式求 出沉降速度相应的球体直径。
第二章 气固两相流动
精品课件
• 气固两相流广泛存在于煤粉燃烧、气力输
送、环保除尘等场合。
• 其特性参数主要包括浓度、空隙度、密度、
比面积、粘度、比热、导热系数、颗粒松 弛时间、颗粒平均尺寸等等。
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2.1 气固两相流动的基本概念和特性参数 2.1.1 气固两相流动的基本概念 1．气固两相流的基本特点
而
1 Wp Wp
W Wg Wp
（2-2）
为质量含固率。
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2. 容积含气率
气体体积占两相混合物体积的份额为容积
含气率，即 Vg Vg
V Vg Vp
1Vp Vp
V Vg Vp
而
（2-3） （2-4）
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• 为容积含气率。它是研究气体－固体颗
粒两相流的重要参数之一。容积含气率与颗 粒的球形度、均匀程度和堆积情况有关。颗 粒的球形度小的，即形状不规则的，由于颗 粒群可以相互交错，容积含气率小；颗粒粒 径不均匀的，颗粒群中的细颗粒可以填充在 粗颗粒之间，比粒径均匀的容积含气率要小； 密实堆积比较松散堆积的容积含气率小。一 般物料任意堆积时的容积含气率约为0.4。
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• 2．粒径
粒径表示每个固体颗粒的大小程度，是判断固体 颗粒粗细程度的一个指标。。如果颗粒是球形的 或近似于球形的，那么可以取其直径作为粒径。 若颗粒的大小和形状不同，要对颗粒进行准确测 定并将其表示出来是几乎不可能的。许多人提出 了各种各样的粒径测定方法，在这些方法中，实 际应用的大致有两种。
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Vg
2.1.2W气g 固两相流动的特性参数V p 设气W p 体－固体颗粒混合物的体积为V，质量 为W，其中气体的体积为 ，质量为 ； 固体颗粒的体积为 ，质量为 ，颗粒 数为 N 。
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1. 质量含气率
气体质量占两相混合物质量的份额为质量
含气率，即Wg Wg
W Wg Wp
（2-1）
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• 3．混合比和浓度
气固两相流中的混合比（或载荷比）是指 单位时间内通过输送管道有效截面的颗粒 z的 质WW gp量与 gp气uu gp体AAgp 的 质pu量pg(u1之gA比)A值 ，gp用uugp符(1号z)表示。
（2-5）
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Wp
Wg
up
ug
量其和中气体和z 质量分p，别(1当是颗单)粒位速时度间通过等的于颗输粒送质气 流速度 时，g 则