管径选择与管道压力降计算(二)61~91

3 气—液两相流(非闪蒸型)

3.1 简述

3.1.1在化工设计中，经常可以遇到气体和液体混合物在管内并流的现象，此流动现象称为气—液两相流，这种现象可以在冷凝、蒸发、沸腾、起泡、雾化等过程中形成，如发生在蒸汽发生器及其加热管、蒸汽冷凝管中等场合。

气—液两相流的流动过程十分复杂，与单相流体的流动机理不同，没有类似单相流中的摩擦阻力系数与雷诺数之间的通用关联式，通常采用半经验性的关联式来进行计算。

3.1.2两相流的压力降要比相同质量流速的单相流大得多，主要是：

3.1.2.1由于管内壁持液，使管内径变小；

3.1.2.2由于气—液两相间产生相互运动，导致界面能量损失；

3.1.2.3液体在管中起伏运动，产生能量损失等。

在一般情况下，当气—液混合物中气相在6％—98％(体积)范围内；应采用气—液两相流的计算方法来进行管路的压力降计算。

3.1.3气—液两相流分为非闪蒸型和闪蒸型两类。液体非闪蒸是流体在流动过程中，气—液相体积分率不发生变化。液体闪蒸是随着压力的降低液体闪蒸流动。

3.1.4气—液两相流管径的计算，应采用和流型判断相结合的方法，并根据流型判断结果初选管径。

3.1.5确定气—液两相流的流动形式，对于两相流的压力降计算是非常重要的。在水平管中，气—液两相流大致可分七种类型，见表 3.1.5—1；在垂直管中，气—液两相流大致可分成五种流型，见表3.1.5—2。

3.1.6在工程设计中。一般要求两相流的流型为分散流或环状流，避免柱状流和活塞流，以免引起管路及设备严重振动。若选用的管路经计算后为柱状流，应在压力降允许的情况下尽量缩小管径，增大流速，使其形成环状流或分散流。也可采取增加旁路、补充气体、增大流量等其它办法避免柱状流。

3.1.7本规定介绍均相法和杜克勒法计算非闪蒸型气—液两相流的压力降计算。

3.1.8第4章介绍闪蒸型气—液两相流压力降计算。

气泡流：气泡沿管上部移动，其速度接近液体速度

活塞流：液体和气体沿管上部交替呈活塞状流动

层 流：液体沿管底部流动，气体在液面上流动，形成平滑的气—液界面

波状流：类似于层流，但气体在较高流速下流动，其界面受波动影响而被搅乱

柱状流：由于气体以较快速度流动而周期性崛起波状，形成泡沫栓，并以比平

均流速大得多的速度流动

环状流：液体呈膜状沿管内壁流动，气体则沿管中心高速流动

分散流：大部分或几乎全部液体被气体雾化而带走

气泡流：气体呈气泡分散在向上流动的液体中，当气体流速增加时，气泡的尺

寸，速度及数目也增加

柱状流；液体和气体交替呈柱状向上移动，液体柱中含有一些分散的气泡，每

一气体柱周围是一层薄液膜，向柱

底流动。当气体流速增加时，气体

柱的长度和速度都增加

泡沫流：薄液膜消失，气泡和液体混合在一起，形成湍动紊乱的流型

环状流：液体以小于气体的速度沿管壁向上移动，气体在管中心向上移动，部

分液体呈液滴夹带在气体中。当气

体流速增加时，夹带也增加

雾状流：当气体流速增加时，全部液体离开管壁呈微细的液滴，被气体带走

3.2 计算方法

3.2.1由于气—液两相流的流动情况复杂，目前尚无准确的压力降计算公式，多以半经验公式来计算，计算方法有多种，但各种方法都存在着局限性。综合各种情况，推荐以下计算方法。

3.2.1.1流型判断

对于水平管，使用图3.2.2—1判断（图3.2.2—1即Baker图）。

对于垂直管，使用图3.2.2—2判断（图3.2.2—2即Griffith-Wallis图）。3.2.1.2压力降计算

如判断结果为分散流、环状流、波状流或层流，则用3.2.2.2中的(1)和(2)两种方法进行气—液两相流压力降计算，取其中较大值。

如判断为柱状流、活塞流，则应采取缩小管径、增大流速等措施来避免。然后也应用3.2.2.2中的(1)和(2)两种方法计算，取其较大值。

3.2.2计算公式选用

3.2.2.1流型判断

(1) 水平管流型判断

在以流动条件、流体性能和管径来判断水平管中气—液两相流流型的许多图表中，图3.2.2—1为最常用，此图把两相流在水平管中的流动分成七个流型区域。这里应该注意到，分隔不同流型区域的边界存在着相当宽的过渡区，因此，计算时对邻接流型也应加以考虑。图3.2.2—1中B y和B x。的计算公式如下：

(3.2.2—1)

(3.2.2—2)

式中

B y、B x——伯克(Baker)参数；

W G——气相质量流量，kg／h；

W L——液相质量流量，kg／h；

ρG——气相密度，kg／m3；

(3.2.2—3)

(3.2.2—4) 其中

(3.2.2—5)

(3.2.2—6) 式中

Fr——弗鲁特(Froude)数；

F V——气相体积分率；

V G——气相体积流量，m3／s；

V L——液相体积流量，m3／s；

d——管道内直径，m；

A——管道截面积，m2；

g——重力加速度，9.81m／s2。

其余符号意义同前。

图3.2.2—1 水平管内气—液两相流流型图

图3.2.2—2 垂直管内气—液两相流流型图

通过计算，求出Fr、Fv值，在图3.2.2—2中查出其流型。

3.2.2.2 压力降计算

(1) 均相法

气—液两相流压力降计算比较复杂，均相法是力图简单化，其特点是假定气—液两相在相同的速度下流动，将气—液混合物视为其物性介于液相与气相之间的均相流，这个假定在理论上可用于分散流，但不能用于环状流，因环状流的气相流速高于液相流速。

均相法计算步骤如下：

a. 均相物性计算

(3.2.2—7)

(3.2.2—8)

(3.2.2—9)

(3.2.2—l0)

(3.2.2—11)