哈工程两相流第1章

1.1 基本概念
判断：下列体系哪些是单相的？哪些是 两相的？ 1、水和水蒸汽 4、有沙粒的小溪 2、盐水溶液 5、油水混合物 3、氢气和氮气 6、水和冰
1.1.1 两相流的分类
（1）按化学成份分为 单组分两相流：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-水蒸汽、钠-钠蒸汽及冰 水混合物等。 双组分两相流：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-水，油-水，烟-气等。 （2）按流道是否存在热交换可分为 绝热两相流—无相变，无相间质量交换。如汽水 分离。 加热两相流—有相变，有相间质量交换。如沸 腾，冷凝。
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 态的重要参数，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 倍率大于2—3，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4—4.5，其主要 考虑的因素如下： 1.传热要求：为了保证管壁润湿，特别是防止局部区域出现缺 液或干涸。一般要求管束进出口处的蒸汽含量不超过20%—25%， 相当于循环倍率大于4。 2.流动稳定性：循环倍率低可能导致流动的不稳定，使流动产 生振荡，这种流动振荡现象使传热效率下降，当流动振荡的幅度 足够大时，就可能引起水和蒸汽流量的大幅度波动。 3.管材腐蚀：在局部滞流或低流速区，往往导致污垢沉积或浓 缩。从防止腐蚀与流动的要求出发，应适当提高循环流速，以便 在管板上表面及管束弯管区提高冲刷流速。
M Wo Jg J f A
J J f J g Wo (1 ) J g
循环倍率：单位时间内，流过通道某一截面的两 相介质总质量与其中气相质量之比，也就是质量含气率 的倒数。 M 1 Wo K M x j g
S>1: , • ,则 o m S<1: ,•• ,则 o m
（1-13）
在两相流动系统中，两相之间会因物性不同(如密 度)存在不同程度的滑动。引入滑速比S的概念，则两相 之间滑动的大小可以表示为
W S W 1 1 a 1 1 a S
（1-15）
显然，对于单组分的两相流， Pcr , P
W W , S 1,
V V 1 V V V
由定义，可以推出质量含气率x与β的关系 x x 1 x
4.截面含气率α 又称为空泡份额。指两相流某一截面上，气相 所占截面与总流道截面之比。
A A A A A
A 式中， ，A 分别表示气相和液相所占的流道 截面积，m2。同理，截面含液率（1-α) A 1 A
M G A
每一相的质量流速与总质量流速的关系
M M G G G (1 x)G xG A A
2.容积流量、相速度和折算速度 总容积流量：单位时间内，流过通道任一流通截面 的气液混合物的总的容积，m3/s。
M M V V V
M M 1 x M M M
2.热力学含汽率x
又称为热平衡含汽率，它是由热平衡方程定义的 含汽率。在有热量输入的两相流系统中，可以根据输 入的热量得到汽相的含量。 （1）热力学平衡（thermodynamic equilibrium) 系统内既无压力梯度和温度梯度，且该系统内所 有共存相内也无化学势梯度时的状态。满足力学平衡、 热平衡和化学平衡。 饱和水焓 汽化潜热 （2）热平衡方程
竖直下降流： W W , S 1, a 竖直上升流： W W , S 1, a
1.4
两相介质密度及比容
1.两相介质密度表示方法 1）两相介质的流动密度 m 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。
M m 1 V
沸腾，这时热平衡含汽率等于质量含汽率；
当 i is, x 1, t t s ，过热蒸汽，单相汽体。
3.容积含气率β 指单位时间内流过某一截面的两相总容积中，气 相所占的比例份额。 V V V V V 式中，V ， 分别表示气相和液相介质的容积流量， V m3/s。那么，容积含液率（1-β）
J gm A W J J g J A
液相漂移通量：
J fm A W J 1 W J J f 1 J J J g A
J gm J fm
4.循环速度和循环倍率
循环速度：与两相混合物总质量流量M相等的液相 介质流过同一截面的通道时的速度。欠热沸腾时循环速 度在数值上等于通道入口处水的速度 。
气液两相流
主 讲： 范广铭 核科学与技术学院 2011.03
课程目录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 两相流基本参数及其计算方法（3学时） 两相流的流型和流型图（4学时） 两相流的基本方程（3学时） 截面含气率的计算（7学时） 直管的两相流压降计算（8学时） 两相流局部压降计算（2学时） 两相临界流动（3学时） 两相流流动不稳定性（2学时）
V V J f 1 W 1 A A
W
1
Jf
讨论
当气液两相无相对运动时
S 1,W W W J W
当气液两相存在相对运动，且 W W ，则
W J W
3.漂移速度和漂移通量 漂移速度：各相真实速度与两相混合平均速度J的差值。 气相漂移速度： Wgm W J 液相漂移速度： W fm W J 漂移通量：各相相对于两相混合平均速度J运动的截面 所流过的体积通量。 气相漂移通量：
(1)和的区别
是容积流量比，表示流过通道的气相容积份额；
是体积比，表示存在于通道中的气相容积份额。
(2) , 和x的关系
M 1 M M 1 x 1 x
（1-12）
A 1 a A A 1 1 x W x W
1.1.1 两相流的分类
（3）按两相物质所处的物态可分为 气液两相流：水和水蒸汽，水和空气 气固两相流：风沙，烟气 液固两相流：血液流动 液液两相流：两种不相溶的液体，油水混合物
1.1.2 研究气液两相流的目的及解决方法


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、 冷凝器、石油输送管道和气液分离器等。 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。 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 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。
第一章 两相流基本参数及其计算方 法
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

基本概念 气相介质含量 两相流的流量和流速 两相介质密度及比容 加热通道内沸腾段长度的确定
1.1 基本概念
1.相：通常指某一系统中具有相同成份和相同物 理、化学性质的均匀物质成份，各相之间有明显 的界面。宏观上可以把物质分为三相：即气相、 液相、固相。 2.单相流：单相物质的流动。 3.两相流：固体、液体、气体三个相中的任何两个 组合在一起、具有相间界面的流动体系。 4.两相流的分类：气液两相流、气固两相流、液固 两相流、液液两相流。 5.多相流
i is rx
' s
式中，i是流道某截面上两相流体的焓值，那么
i i x r
（3）讨论
当 i is , x 0, t t s ，两相流动处于欠饱和态， 过冷（欠热）沸腾或单相；
当 is i is,0 x 1, t t s ，两相流动处于饱和
V V V J Jg J f A A A
式中，Jg为气相折算速度，表示两相介质中气相单独流 过同一通道时的速度,m/s.
Jf为液相折算速度，表示两相介质中液相单独流
V V Jg W A A
W
Jg
过同一通道时的速度,m/s.
对于沸腾通道，循环速度在 数值上等于上升管入口处水 的速度 。
循环倍率是指循环水流量与 蒸汽产量的比值。表示上升 管中实际产生一公斤蒸汽需 要的循环水流量几公斤 自然循环锅炉原理


对于自然循环蒸 汽发生器，循环 流速是指上升空 间通道入口处饱 和水的流速。 循环倍率是指循 环水流量与蒸汽 产量的比值。
课程重点




熟练掌握两相流基本参数的定义，表达式及计算方法。 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。 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 含气率的计算过程。 掌握用均相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的方法。了解影响摩擦压降的主 要因素。 能计算热平衡条件下受热及不受热流道的两相总压降。 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。
W W , S 1,
Hale Waihona Puke Baidu
1.3 两相流的流量和流速
1.3.1 几种表达式形式 1.质量流量和质量流速 总质量流量M：单位时间内流过任一横截面的气液 混合物的总质量,kg/s. M M M 总质量流速G：又称为质量流密度，指流道单位截 面通过的质量流量,kg/m2.s.
2）两相介质的真实密度 o 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。
o 1
o 和 m 的关系：
1).当S=1时, , 所以 o m ，均质流动； 2). 当 S 1时， o m
5.滑速比 由于气体和液体的流速不同，在两相之间存在滑 动速度(滑移速度）
Wxd W W
气体的速度与液体的速度之比称为滑速比S
W x 1 a S a W 1 x
1 1 a 1 1 a S
液相真实平均速度，m/s：
V M G W A A 1
气相真实平均速度, m/s：
V M G W A A
折算速度：又称容积流密度，又称为表观质量 流速（superficial flow flux）, 定义为单位流道 截面上的两相流容积流量，m/s。它也表示两相流的平 均速度。
1.2 气相介质含量
1.2.1 定义 气相介质含量表示两相流中气相所占的份额。 1.2.2 几种表示方式 1.质量含气率x （干度） 单位时间内，流过通道某一截面的两相流体总质量 M中气相所占的比例份额。 M M x M M M M M 式中， 、 分别表示气相和液相的质量流量，kg/s。 那么，质量含液率(湿度)可以表示为