气液两相流课件
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40
5.2 均相流模型的摩擦压降计算
一.均相流模型计算法
➢ 两相摩擦压力梯度
dp f Ph 0
dz A
对于圆管，控制体周界长度(m)：Ph D
通流面积(m2)：A D2
4
流体与壁面的摩擦剪应力(N/m2)：
o
f
m j2
全气相摩擦压降梯度
dPf dz
l
分液相摩擦压降梯度
dPf dz
g
分气相摩擦压降梯度
dPfl 液相部分摩擦压降梯度 dz
dPfg 分气相摩擦压降梯度 dz
2 lo
全液相折算系数
2go 全气相折算系数
2 l
分液相折算系数
2g 分气相折算系数
dPf 两相摩擦压降梯度 dz
X 2 马蒂内里参数
5
第一章 两相流基本参数及其 计算 方法
1.1 基本概念 1.2 气相介质含量 1.3 两相流的流量和流速 1.4 两相介质密度及比容
6
1.1 基本概念
1.物态：在某一条件下，物质存在的一种状态。 常见的物态是气态、液态和固态。有时物态 也称之为相，常见的物质三态也称为：气相、 液相、固相。
11
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
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。
x M M M M M
式中，M、 M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
4
课程目录
第一章 两相流基本参数及其计算方法（4学时） 第二章 两相流的流型和流型图（6学时） 第三章 两相流的基本方程（4学时） 第四章 截面含气率的计算（8学时） 第五章 直管的两相流压降计算（10学时） 第六章 两相流局部压降计算（2学时） 第七章 两相临界流动（4学时） 第八章 两相流流动不稳定性（2学时）
2). 当S 1时，o m
S>1: , •• ,则 o m S<1: , ••则 o m
31
2. 两相介质的比容
单位时间内流过流道某一截面的两相介质体积和质
量之比
vm
V M
1
m
xv 1 x v
1) 截面平均比容vA
1 xvS xv vA x 1 x S
28
5.滑移速度和滑速比 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
S
W W
x 1
x
1
a
a
竖直下降流： W W , S 1, a 竖直上升流： W W , S 1, a
29
1.4 两相介质密度及比容
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。
J
V A
V A
V A
Jg
J
f
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.
Jg
V A
V
A
W
W J g
Jf为液相折算速度，表示两相介质中液相单独流
过同一通道时的速度,m/s.
Jf
V A
V 1 W1
4.两相流：任意两个相组合在一起、且具有 相间界面的流动体系。
8
9
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。
作业：
1-4
35
不考虑两相间的相对滑移时
W W••• Wxd 0•且 S 1•
o m
W J W
A M E m
考虑两相间的相对滑移时
W W
Wxd 0 且 S 1
o m
W J W
36
第五章 直管的两相流压降计算
P1 P2
37
序
两相流流动压降计算的重要性 两相流流动压降计算的局限性 本章主要内容
M M
1 x
M M M
12
2.热力学含汽率x （干度）
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)
系统内即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、
（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。 10
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
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
7
1.1 基本概念
2.相：通常指某一系统中具有相同成份且物理、 化学性质完全均匀部分，各相之间有明显 的界面。
3.辨别单相体系与两相体系 是否系统内各部分的性质均匀 是否存在明显的相间界面
热平衡和化学平衡。
（2）热平衡方程
饱和水焓
汽化潜热
i is rx
式中，i是流道某截面上两相流体的焓值，那么
x
i
i
' s
r
13
（3）讨论
当 i is, x 0,t ts ，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 ts ，两相流动处于饱
和
沸腾，i 这is时, x热平1,衡t 含ts汽率等于质量含汽率；
自然循环锅炉原理 26
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 合水的流速。
循环倍率是指循 环水流量与蒸汽 产量的比值。
立式自然循环蒸汽发生器 27
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。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。
气液两相流
1
课程简介
学时：40 学时 学分：2.5 性质：专业基础课
反应堆热工水力、核动力设备
流体力学 传热学 工程热力学
两相流动 与传热
2
考核方式：
闭卷答题+平时成绩
平时成绩
出勤率
作业
知识问答
3
参考教材：
《两相流与沸腾传热》，徐济鋆编，原子能 出版社。
《两相流与传热》D.巴特沃思等编，陈学俊， 陈听宽，曹柏林译，原子能出版社。 《两相流与沸腾传热》，鲁钟琪编，清华大 学出版社。
所流过的体积通量。
气相漂移通量：
J gm
A W
A
J
Jg
J
液相漂移通量：
J
fm
A W
A
J
1
W
J
J
f
1
J
J
Jg
J gm J fm
24
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。
Wo
M
A
Jg
J
f
J J f J g Wo (1 )J g
2) 动量平均比容vM
M
v 1
x
x S
v 1
xS
1
32
3）动能平均比容vE
vE
xv S
1
x
v
2
1
x
0.5
S 2 1
对比上面四种比， 容表达式,当S=1时，则有
A M 。 E m
o m
33
两相流特性参数的分类
(1) 流动参数： 可根据物质平衡或热平衡关系计算得到的参 数
x, , k; j, jg , j f ; wo,G; m,m; M , M , M ,V ,V ,V ;
W W, S 1, W W, S 1, W W, S 1,
18
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.
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 V
1
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
30
o 和m 的关系：
1).当S=1时, , 所以 o m ，均质流动；
(2) ,和x的关系
M
M M
1
1
1
x
x
（1-12）
a
A A A
1
1
1
x
W
x W
（1-13）
17
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
S W W
显然，对于单组分的两相流， P Pcr ,
1 x
15
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 式中， A， 分A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)
1 A
A
16
(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。
当
，过热蒸汽，单相汽体。
14
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 ，V 分别表示气相和液相介质的容积流量，
m3/s。那么，容积含液率（1-β）
1 V V
V V V
由定义，可以推出质量含气率x与β的关系
x
x
(2) 真实流动特性参数： 代表流体流动时真实流动特性的参数，这
类参数与两相流体的相对运动有关，有
; w, w; s; o ,A，M ,E ; wgm , wfm , jgm , j fm ;
34
本章小结
1. 何谓两相流？ 两相流的分类？ 2. 有关含气率、速度、密度、比容定义及计算式。 3. 两相流特性参数的分类 4. 何谓热平衡？ 5. 滑速比与各参数的关系
V M
M V
20
2.容积流量、相速度和折算速度
液相真实平均速度，m/s：
W
V A
M
A
G
1
气相真实平均速度, m/s：
W V M G
A A
液相： M W A 气相： M W A
21
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
A
W Jf
1 22
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
当气液两相存在相对运动，且 W W ，则
W J W
23
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： Wfm 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
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。
K M 1 Wo M x jg
25
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
G M A
每一相的质量流速与总质量流速的关系
G G G M M (1 x)G xG
AA
19
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。
V V V M M
液相容积流量， m3/s ：
V M
M V
气相容积流量, m3/s ：
1. 两相流摩擦压降的计算模型； 2. 影响两相流摩擦压降的主要因素； 3. 重位压降和加速压降的计算； 4. 环状流动的压降计算。
38
两相摩擦压降
单相摩擦压降 折算因子
计算模型
均相流模型 分相流模型
方法、 经验公式
39
重点 难点
dPf dz
lo
全液相摩擦压降梯度
dPf dz
go
5.2 均相流模型的摩擦压降计算
一.均相流模型计算法
➢ 两相摩擦压力梯度
dp f Ph 0
dz A
对于圆管，控制体周界长度(m)：Ph D
通流面积(m2)：A D2
4
流体与壁面的摩擦剪应力(N/m2)：
o
f
m j2
全气相摩擦压降梯度
dPf dz
l
分液相摩擦压降梯度
dPf dz
g
分气相摩擦压降梯度
dPfl 液相部分摩擦压降梯度 dz
dPfg 分气相摩擦压降梯度 dz
2 lo
全液相折算系数
2go 全气相折算系数
2 l
分液相折算系数
2g 分气相折算系数
dPf 两相摩擦压降梯度 dz
X 2 马蒂内里参数
5
第一章 两相流基本参数及其 计算 方法
1.1 基本概念 1.2 气相介质含量 1.3 两相流的流量和流速 1.4 两相介质密度及比容
6
1.1 基本概念
1.物态：在某一条件下，物质存在的一种状态。 常见的物态是气态、液态和固态。有时物态 也称之为相，常见的物质三态也称为：气相、 液相、固相。
11
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
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。
x M M M M M
式中，M、 M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
4
课程目录
第一章 两相流基本参数及其计算方法（4学时） 第二章 两相流的流型和流型图（6学时） 第三章 两相流的基本方程（4学时） 第四章 截面含气率的计算（8学时） 第五章 直管的两相流压降计算（10学时） 第六章 两相流局部压降计算（2学时） 第七章 两相临界流动（4学时） 第八章 两相流流动不稳定性（2学时）
2). 当S 1时，o m
S>1: , •• ,则 o m S<1: , ••则 o m
31
2. 两相介质的比容
单位时间内流过流道某一截面的两相介质体积和质
量之比
vm
V M
1
m
xv 1 x v
1) 截面平均比容vA
1 xvS xv vA x 1 x S
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5.滑移速度和滑速比 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
S
W W
x 1
x
1
a
a
竖直下降流： W W , S 1, a 竖直上升流： W W , S 1, a
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1.4 两相介质密度及比容
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。
J
V A
V A
V A
Jg
J
f
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.
Jg
V A
V
A
W
W J g
Jf为液相折算速度，表示两相介质中液相单独流
过同一通道时的速度,m/s.
Jf
V A
V 1 W1
4.两相流：任意两个相组合在一起、且具有 相间界面的流动体系。
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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。
作业：
1-4
35
不考虑两相间的相对滑移时
W W••• Wxd 0•且 S 1•
o m
W J W
A M E m
考虑两相间的相对滑移时
W W
Wxd 0 且 S 1
o m
W J W
36
第五章 直管的两相流压降计算
P1 P2
37
序
两相流流动压降计算的重要性 两相流流动压降计算的局限性 本章主要内容
M M
1 x
M M M
12
2.热力学含汽率x （干度）
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)
系统内即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、
（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。 10
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
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
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1.1 基本概念
2.相：通常指某一系统中具有相同成份且物理、 化学性质完全均匀部分，各相之间有明显 的界面。
3.辨别单相体系与两相体系 是否系统内各部分的性质均匀 是否存在明显的相间界面
热平衡和化学平衡。
（2）热平衡方程
饱和水焓
汽化潜热
i is rx
式中，i是流道某截面上两相流体的焓值，那么
x
i
i
' s
r
13
（3）讨论
当 i is, x 0,t ts ，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 ts ，两相流动处于饱
和
沸腾，i 这is时, x热平1,衡t 含ts汽率等于质量含汽率；
自然循环锅炉原理 26
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 合水的流速。
循环倍率是指循 环水流量与蒸汽 产量的比值。
立式自然循环蒸汽发生器 27
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。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。
气液两相流
1
课程简介
学时：40 学时 学分：2.5 性质：专业基础课
反应堆热工水力、核动力设备
流体力学 传热学 工程热力学
两相流动 与传热
2
考核方式：
闭卷答题+平时成绩
平时成绩
出勤率
作业
知识问答
3
参考教材：
《两相流与沸腾传热》，徐济鋆编，原子能 出版社。
《两相流与传热》D.巴特沃思等编，陈学俊， 陈听宽，曹柏林译，原子能出版社。 《两相流与沸腾传热》，鲁钟琪编，清华大 学出版社。
所流过的体积通量。
气相漂移通量：
J gm
A W
A
J
Jg
J
液相漂移通量：
J
fm
A W
A
J
1
W
J
J
f
1
J
J
Jg
J gm J fm
24
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。
Wo
M
A
Jg
J
f
J J f J g Wo (1 )J g
2) 动量平均比容vM
M
v 1
x
x S
v 1
xS
1
32
3）动能平均比容vE
vE
xv S
1
x
v
2
1
x
0.5
S 2 1
对比上面四种比， 容表达式,当S=1时，则有
A M 。 E m
o m
33
两相流特性参数的分类
(1) 流动参数： 可根据物质平衡或热平衡关系计算得到的参 数
x, , k; j, jg , j f ; wo,G; m,m; M , M , M ,V ,V ,V ;
W W, S 1, W W, S 1, W W, S 1,
18
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.
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 V
1
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
30
o 和m 的关系：
1).当S=1时, , 所以 o m ，均质流动；
(2) ,和x的关系
M
M M
1
1
1
x
x
（1-12）
a
A A A
1
1
1
x
W
x W
（1-13）
17
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
S W W
显然，对于单组分的两相流， P Pcr ,
1 x
15
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 式中， A， 分A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)
1 A
A
16
(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。
当
，过热蒸汽，单相汽体。
14
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 ，V 分别表示气相和液相介质的容积流量，
m3/s。那么，容积含液率（1-β）
1 V V
V V V
由定义，可以推出质量含气率x与β的关系
x
x
(2) 真实流动特性参数： 代表流体流动时真实流动特性的参数，这
类参数与两相流体的相对运动有关，有
; w, w; s; o ,A，M ,E ; wgm , wfm , jgm , j fm ;
34
本章小结
1. 何谓两相流？ 两相流的分类？ 2. 有关含气率、速度、密度、比容定义及计算式。 3. 两相流特性参数的分类 4. 何谓热平衡？ 5. 滑速比与各参数的关系
V M
M V
20
2.容积流量、相速度和折算速度
液相真实平均速度，m/s：
W
V A
M
A
G
1
气相真实平均速度, m/s：
W V M G
A A
液相： M W A 气相： M W A
21
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
A
W Jf
1 22
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
当气液两相存在相对运动，且 W W ，则
W J W
23
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： Wfm 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
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。
K M 1 Wo M x jg
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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
G M A
每一相的质量流速与总质量流速的关系
G G G M M (1 x)G xG
AA
19
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。
V V V M M
液相容积流量， m3/s ：
V M
M V
气相容积流量, m3/s ：
1. 两相流摩擦压降的计算模型； 2. 影响两相流摩擦压降的主要因素； 3. 重位压降和加速压降的计算； 4. 环状流动的压降计算。
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两相摩擦压降
单相摩擦压降 折算因子
计算模型
均相流模型 分相流模型
方法、 经验公式
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重点 难点
dPf dz
lo
全液相摩擦压降梯度
dPf dz
go