多相流理论

多相流理论论文

姓名：王建才

专业：化工过程机械

卧式换热器管程的流型分析

摘要：换热器主要是实现化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业中热量的转化，在换热器的管程中分析流体的流型对换热至关重要，控制流量、温度可使得换热效率达到最佳。本文介绍了管程中的几种流型的现状、原理和特征。关键字：换热器气液两相水平流动流型分析

Abstract: The heat exchanger is important to achieve chemical, oil refining, petrochemical, power, nuclear power and other industrial transformation of the heat ,in the heat exchanger tube in the analysis of fluid flow on the heat transfer is essential,to control flow and temperature can make optimal heat transfer efficiency. This article describes the tube in the status , principles and characteristics of several flow patterns.

Keywords: Heat exchanger Gas-liquid two-phase Horizontal flow Flow analysis

1．前言

换热器在工业中用途十分广泛，对换热器的管程和壳程的流型分析对换热相当重要。卧式换热器中管程不同的流速会对应于不同的流型，不同的温度含气量

不同也对应不同的流型。对于卧式换热器管程的流型分析进行理论化的转变，使得实际问题进行理论化分析。

卧式换热器中最常见的管壳式换热器，此类换热器是在圆筒形壳体中放置了由许多管子组成的管束，管子两端或者一端固定在管板上，管子的轴线与壳体轴线平行。管壳式换热器具有自己明显的特点，即结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选材范围广泛、换热表面清洗方便、能承受高温高压等等。

在水平流型分析的基础上，对工程实际的流型以及转变特性进行分类、分析，再进一步研究流体流型对设备的腐蚀、变化规律等的研究。

2．国内外现状

近几十年来，国内外对气—液两相流动问题开展了深入的研究，取得了一定的进展，但尚有若干理论不够完善，特别是关于流型的划分有许多问题还未能取得共识，许多工作还有待更深入研究。

国内外的学者围绕着流型的分类及流型图，摩擦阻力压降的测定及其计算等内容进行了长期的大量的研究。在流型图方面，贝克(Baker)，曼德汉(Mandhane)，泰特尔(Taitel)，威斯曼(Weisman)等的研究结果不尽相同，至今仍在使用。在摩阻压降方面L-M在水平管中对水—空气双组分两相流研究的基础上提出了著名的分相流动模型。

在气液两相的流型分析过程中，主要还是通过设计实验台，得到实验数据进行数据对比研究。比如，气液两相切向旋流的流型测试和分析、水平管内气液两相螺旋流的实验分析、气液逆流流动的流型分析等等。气液两相流流型研究发展至今，总的状况还停留在以试验为主，通过目视或借助某些仪表或技术来对流型进行观察测量，由此而得到一些经验的图表或公式的程度。目前也有些作者在实验基础上进行’了少许简单的理论分析，建立了半经验的关系式，人们也正在朝全面数学模化和大型电子计算机程序化预报的方向努力，但由于两相流动问题的高度复杂性，流型及其转变问题又极其强烈地与两相流动过程中所有特性和因素密切关联，这种努力的成效很小，至今尚无比较完善的，即能基本反映问题全部或大部分特征而且能付之实用的半理论关系式。

在我国近年来，对于流型识别也是十分重要，传统的流型识别方法有两类:一类是利用流型图或根据流型转变准则关系式;另一类是通过测量的方法。已有的流型图不完全一致，缺乏普适性。其原因有两个，一是流型的识别多以目测的方法进行，结果带有很强的主观随意性;二是观察点处的流动如果是在非充分发展区，流型受气液混合的方式和长度的影响很大。此外，流型图是在基于稳态流型转变的假设下用实验方法获得的，而生产现场的流动条件千差万别，很难与流

型图的适用条件相同。

3. 水平管中的流型分析

在卧式换热器中，管程中流体水平流动，那么主要研究的对象就是水平管中气液两相的流型分析。

3.1 流型分析的意义

对单相流体，为研究其流动特性而把流型分成层流和湍流。对两相流，由于相界面的存在使问题大为复杂，流型同样是影响流动和传热的重要因素。两相流流型及其转变特性的研究，是两相流研究中最基本也是最重要的问题之一。任何真正反映现象特征或本质的。并能最精确地预报两相流动与传热各特性的两相流模型，都必须以对流型及其转变的深入细致的观察，对各种特定流型的属性及规律、及其相互间转变的机理和条件的掌握为基础或前提，并针对特定的流型进行数学描述的结果。因此，可以说流型及其转变特性的研究，是两相流中摩擦阻力系数、传热传质系数、相含率、临界热负荷和流动不稳定性研究深入精确和数学化的先决条件，是两相流领域从实验科学走向理论科学的前提。

3.2 流型分析的目的

流型研究主要有如下4个目的：

(1)通过对流动的深入细致地观察，依据特征，对两相流动的结构型式即流型进行定义与分类。

(2)在试验数据的基础上建立流型预报式和流型图，使得人们能预先估算一定条件下可能发生的流型，并确定从一种流型向另一种流型转变的边界条件，弄清流动及几何环境各参数对其影响的大小和趋向，以期在生产实践中指导动力设备的设计、操作运行、控制及安全性与效率的提高。

(3)弄清各种流型形成及相互间转变的机理，进一步加深人们对多相流的本质认识，完善和发展两相流科学。

(4)在试验研究上述问题

的同时，进一步研制、改善和

发展适应范围广、简单方便、

易于操作、制造，而且准确可

靠的流型观测技术。

3.3 流型的分类及特征

水平管中的流体流型通过

实验过程观察，主要有如图 1