近期多相流基础理论研究综述

第35卷 第9期2001年9月

西 安 交 通 大 学 学 报

JOU RNAL OF XI AN JIAOTONG U NIVERSITY

Vol.35 9

Sep.2001

文章编号:0253-987X(2001)09 0881 05

近期多相流基础理论研究综述

林宗虎,王 栋,王树众,林 益

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

摘要:近年来,国际上对多相流的研究兴趣在持续增长.为了进一步促进多相流研究工作的开展,对近6年来国内外在多相流基础理论方面的主要研究进行了综述.内容主要涉及到多相流流型、流型图、压力降、截面含气率、截面含液率、特种管件内的多相流、液汽、喷汽及数值计算等.附有参考文献50篇.

关键词:多相流;基础理论;流型

中图分类号:O359 文献标识码:A

Recent Trend Towards Basic Theory of Multiphase Flow

L in Zonghu,Wang Dong,Wang Shuz hong,Lin Yi

(School of Energy an d Pow er Engineering,Xi an Jiaotong Universi ty,Xi an710049,China)

Abstract:In order to promote the research work of multiphase flow,the research and application ten dency of multiphase flow theory in the world w ithin recent six y ears is review ed.T he rev iew ing con tents of the theory consist of multiphase flow pattern,flow pattern map,pressure drop,void fraction, hold up,multiphase flow in special tube elements,flooding,geysering and numerical calculation,etc.

50references are included.

Keywords:multip hase f low;basic theory;f low patter n

近年来国际上对多相流的研究兴趣在持续增长,其原因在于多相流不仅在一系列现代工程中得到广泛应用而且对促进这些工程设备的发展和创新也起到了重要作用.涉及多相流的工程设备有新型的相变换热器、锅炉、蒸发器、凝结器、空间设备、制冷机、核反应堆、分离设备、过滤设备、流化床反应器、气力输送设备、液力输送设备、石油工程设备和多相流泵等.

每年发表的有关多相流方面的论文数以千计,因此要在一篇论文中对近期多相流研究工作进行全面综述,实非易事.本文拟对其中的一些有关多相流研究的新课题、具有实用意义的新项目以及能促进多相流学科发展的新研究内容进行扼要论述,以探明多相流的研究方向.文中所涉及的论文发表时间范围主要为1995年到2000年.

1 多相流流型和流型图

多相流流型和流型图对确定多相流的组分、分相流压力降和传热系数是十分重要的.此外,流型对

收稿日期:2001 04 10. 作者简介:林宗虎(1933~),男,教授,中国工程院院士. 基金项目:国家自然科学基金重大资助项目(59995460-5);国家重点基础研究发展规划资助项目(G1999022308).

建立多相流理论模型也是有力的物理基础.

至今,在气液两相流方面,对重力作用下的气体和牛顿液体混合物的两相流体流型和流型图的研究已经比较多,特别是在水平管、垂直上升管的管内流型和流型图方面的研究工作已较完善.因此,近年来有关这方面的研究论文数量已大为减少,但对气体和非牛顿液体的管内气液两相流型以及对小尺寸管或特殊管子横截面的管内气液两相流型的研究论文为数仍不少.例如:王树众[1]研究了油气两相流在下降管内的流型;Bonjoun[2]研究了水在直立两板中狭小空间内沸腾时的流型;M ishima[3]研究了内径为1~4mm的毛细管中的气水两相流流型; T riplett[4]发表了微通道中气液两相流流型研究报告;W!o lk[5]研究了当量直径为6mm的三角形截面垂直管中的流型;Gradeck[6]研究了水平波形管中的气液两相流型;Xu[7]发表了具有微型槽的矩形管中的气液两相流型;Weiseman[8]研究了管内存在微型螺旋线状肋片时流体物性对气液两相流型的影响以及Du[9]发表了微型内肋水平管中凝结时的流型研究报告等.

对气固、液液两相流流型的研究比气液两相流流型的研究要少得多,但近年来,在区分流型和预测流型转换界限方面已取得了一些进展.例如: Doron[10]建立了管内液固两相流的流型图;Bi[11]提出了气固流态化和向上气力输送颗粒时的流型图; Nadlen[12]研究了两种不溶混液体在水平管中形成乳浊状流型的过程及Angeli[13]研究了油水混合物在水平管中的流型等.

在三相流的流型研究方面:Hew itt[14]提出了微倾斜管中油气水三相在不同压力下的流型图并发现压力增大会促使分层流动区域扩大;罗玉珊等[15]研究了垂直上升管中乳状油气水三相流由细泡状流型过渡到弹状流型的转变条件;陈学俊等[16]研究了螺旋管中油气水三相流的流型等.

由于气液两相流在宇宙飞船的设计和运行中具有重要用途,例如在飞船环境系统、制冷流体的储存和输送、太空核电站系统安全性等系统中均有重要应用.因此,建立微重力下的气液两相流流型图就显得十分必要.根据Rezkallah[17]的研究,微重力下的气液两相流流型基本上可分为细泡状、弹状、泛沫弹状和环状等几种流型,并由他建立了流型图和流型转换条件.Colin[18]和Bousman[19]研究了管径、液体粘性和表面张力对流型的影响.有关微重力下气液两相流研究的近期进展可参见Rezkallah的综述论文[20].

2 压力降研究

近期对多相流压力降进行研究的论文主要涉及液液、气固、液固两相流和三相流问题.在气液两相流压力降方面,由于对一般直管研究已经较多,因而新的论文主要涉及特殊管子、微重力条件下以及气体 非牛顿液体等的气液两相流压力降问题.其中: Dziubimsk[21]、Das[22]报导了气体和非牛顿液体在管内压力降方面的研究结果;Mukhtan[23]研究了90∀水平弯头中含多尺寸颗粒的气固两相流压力降; Turian[24,25]研究了非牛顿液体的泥浆流压力降; Angeli[26]研究了液液两相流在水平管中的压力降.此外,M ishim a[3]研究了各种毛细管中空气 水两相流的压力降;Yang[27]研究了R-12气液两相流的压力降;Aww ard[28]研究了气水混合物在螺旋管中的压力降;Weisman[8]研究了R-113气液两相流在螺旋内肋管中的压力降等.

在油气水三相流方面,Hew itt[14]研究了微倾斜管中的油气水三相流压力降,并发现:如果油水混合物粘度能采用合宜的方法确定,则某些两相流压力降预测方法可用于进行油气水三相流压力降计算,林宗虎[29]等对水平管中的油气水三相流摩擦压力降的研究表明:由于工质对管子材料的湿润性和吸附力等的不同,有机玻璃管和钢管中的油气水三相流摩擦压力降在一定条件下是不同的.

在微重力作用下对气液两相流进行的初步研究表明[18,30],在两相摩擦压力降方面,微重力条件下和重力作用时的压力降数量级相同.

3 截面含气率和截面含液率的研究

在海洋石油等开采储运过程中,为了进行油气混输管路的设计和运行,必须进行油气水三相流流动特性的研究,其中一个重要参数是截面含气率或截面含液率(持液率).

H ew itt[14]研究了空气折算速度固定、总液体速度不变时微倾斜管内的油气水三相流持液率问题.试验表明,水含量增大,则持液率增加到一最大值后再锐降到近乎为一常数值.峰值发生在油为连续相区域,而曲线平坦部分(近乎常数值区段)位于水为连续相区域.虽然三相流时各相含液率与两相流时表现不同,但仍可用某些两相流预测方法预测,只要

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