哈工程两相流第2章两相流的流型和流型图[高等教学]

1、第二章第二章 两相流的流型和流型图两相流的流型和流型图 本章主要内容本章主要内容 1.1.流型的定义、影响流型的因素流型的定义、影响流型的因素; ; 2.2.竖直上升绝热管、竖直上升绝热管、竖直下降绝热管、竖直下降绝热管、水平绝热管水平绝热管 中存在的流型、特征及出现范围中存在的流型、特征及出现范围; ; 3.3.管内淹没和流向反转的产生及判别管内淹没和流向反转的产生及判别; ; 4. 4.流型的过渡及判别；流型的过渡及判别； 5.5.采用流型图判别流型的方法。采用流型图判别流型的方法。 1严选课件 2.1 研究流型的意义研究流型的意义 一一. .何谓两相流的流型何谓两相流的流型? ?单相流与

2、两相流的单相流与两相流的 区别？区别？ 1. 1.气液两相流体在流动过程中，两相之间存在气液两相流体在流动过程中，两相之间存在 分界面，这就是两相流区别于单相流的重要特分界面，这就是两相流区别于单相流的重要特 征。征。 2.2.两相流中两相介质的分布状况，不同的界面两相流中两相介质的分布状况，不同的界面 分布就构成了不同的两相流流型。分布就构成了不同的两相流流型。 2严选课件 三三. .影响流型的因素影响流型的因素 1.x,P,G; 1.x,P,G; 2. 2.是否受热（非绝热）；是否受热（非绝热）； 3. 3.流动方向；流动方向； 4. 4.流道结构。流道结构。 1.1.流型影响流体的换热特

3、性；流型影响流体的换热特性； 2.2.流型影响压降特性；流型影响压降特性； 3.3.流动不稳定性与流型有关；流动不稳定性与流型有关； 4.4.建立流动模型与流型密切相关。建立流动模型与流型密切相关。 二二. .研究流型的意义研究流型的意义 3严选课件 2.2 垂直上升管中的流型垂直上升管中的流型 泡状流泡状流 一一. . 垂直上升不加热直圆管垂直上升不加热直圆管 1.1.泡状流泡状流 (1)(1)特征：特征： 1)1)液相连续，气相不连续；液相连续，气相不连续； 2) 2)气泡多数呈球形；气泡多数呈球形； 3) 3)管子中心气泡密度大，有趋中效应。管子中心气泡密度大，有趋中效应。 (2)(2)

4、出现范围：出现范围： 主要出现在低主要出现在低x区，在中低压情况下，出区，在中低压情况下，出 现在现在 ； 高压情况下，高压情况下， 较大仍为泡状流，较大仍为泡状流， 3 . 0 P 4严选课件 2.2.弹状流弹状流 (1)(1)特征特征 1)1)大气泡与大液块交替出现，头部呈球大气泡与大液块交替出现，头部呈球 形，尾部扁平，形如炮弹；形，尾部扁平，形如炮弹； 2)2)气弹间液块向上流动，夹有小气泡；气弹间液块向上流动，夹有小气泡； 3)3)气弹与管壁间液层缓慢向下流动。气弹与管壁间液层缓慢向下流动。 (2)(2)出现范围出现范围 1)1)低压、低流速低压、低流速, , ，低压时气泡长，低压时

5、气泡长 度可达度可达1m1m以上；以上； 2) ,2) ,不能形成大气泡，当不能形成大气泡，当P10MPaP10MPa 时，弹状流消失；时，弹状流消失； 3)3)出现在泡出现在泡- -环过渡区。环过渡区。 3 .0 P 弹状流弹状流 5严选课件 3.3.乳沫状流乳沫状流( (搅混流）搅混流） (1)(1)特征特征 1)1)破碎的气泡形状不规则，有破碎的气泡形状不规则，有 许多小气泡夹杂在液相中；许多小气泡夹杂在液相中； 2)2)贴壁液膜发生上下交替运动，贴壁液膜发生上下交替运动， 从而使得流动具有震荡性。从而使得流动具有震荡性。 (2)(2)出现范围出现范围 它是一种过渡流，一般出现在它是一种

6、过渡流，一般出现在 大口径管中，小口径的管中观察不大口径管中，小口径的管中观察不 到。到。 乳沫状流乳沫状流 6严选课件 4.4.环状流环状流 (1)(1)特征特征 1)1)贴壁液膜呈环形向上流动；贴壁液膜呈环形向上流动； 2)2)管子中部为夹带水滴的气柱；管子中部为夹带水滴的气柱； 3)3)液膜和气流核心之间存在波动界面。液膜和气流核心之间存在波动界面。 (2)(2)出现范围出现范围 1)1)在在PPPPcr cr， ，0 x10 x10MpaP10Mpa，弹状流消失，流型，弹状流消失，流型 直接从泡状流向环状流转变。直接从泡状流向环状流转变。 (2)(2)绝热管中不会出现雾状流。绝热管中不

7、会出现雾状流。 二二. .垂直上升加热直圆管中的流动型式垂直上升加热直圆管中的流动型式 8严选课件 三三. .流型图流型图 2 f j 目前广泛采用的流型图均目前广泛采用的流型图均 为二元的，其坐标为流动参为二元的，其坐标为流动参 数或组合参数。数或组合参数。 选用右图流型图注意选用右图流型图注意 1. 实验条件实验条件 D Di i=31.2mm; P=0.14-0.54MPa=31.2mm; P=0.14-0.54MPa, 流动工质是空气和水。流动工质是空气和水。 2. 该图和应用该图和应用P=3.45-6.9MPaP=3.45-6.9MPa, 汽水混合物在汽水混合物在D Di i=121

8、.7mm=121.7mm管管 子中得到的实验数据符合良子中得到的实验数据符合良 好。好。 2 g j 9严选课件 3.3.坐标参数坐标参数 横坐标：分液相动压头横坐标：分液相动压头 纵坐标：纵坐标：分气相动压头分气相动压头 222 )1 (Gxj f 222 xGj g 10严选课件 上节重要知识点上节重要知识点 1.1.两相流型的定义，与单相流的区别；两相流型的定义，与单相流的区别； 2.2.研究两相流流型的意义？研究两相流流型的意义？ 3.3.影响两相流流型的因素？影响两相流流型的因素？ 4.4.垂直上升绝热、加热直圆管中的流型分垂直上升绝热、加热直圆管中的流型分 别有哪些？每种流型的特征

9、和出现的范别有哪些？每种流型的特征和出现的范 围是什么？围是什么？ 11严选课件 2.32.3垂直下降管中的气液两相流流垂直下降管中的气液两相流流 型及其流型图型及其流型图 1.泡状流泡状流 2.弹状流弹状流 3.下降液膜流下降液膜流 4.带气泡的带气泡的 5.块状流块状流 6.雾式环状流雾式环状流 下降液膜流下降液膜流 一一. . 流型的分类流型的分类 12严选课件 1.1.泡状流泡状流 特征特征: : 1)1)气泡集中在管子中心部分气泡集中在管子中心部分 2)2)气泡尺寸更小，更接近于球形。气泡尺寸更小，更接近于球形。 2.2.弹状流弹状流 若若 ，则气泡将聚集成气弹。，则气泡将聚集成气弹

10、。 特征：特征： 1)1)气弹较长，尾部呈球形；气弹较长，尾部呈球形； 2)2)下降流时贴壁面液膜向下流动，故比上升下降流时贴壁面液膜向下流动，故比上升 流时稳定。流时稳定。 xconstM, 13严选课件 3.3.环状流环状流 (1)(1)下降液膜流下降液膜流 当当 小时，有一层液膜沿管壁下流，核心部分小时，有一层液膜沿管壁下流，核心部分 为气相，液膜中无气泡。为气相，液膜中无气泡。 (2)(2)带气泡的下降液膜流带气泡的下降液膜流 当当 时，由于惯性的作用，气相将进入液膜。时，由于惯性的作用，气相将进入液膜。 (3)(3)块状流块状流 当当 较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸较高时，贴壁为

11、液膜，由于气相的卷吸 作用，核心为雾状气柱。作用，核心为雾状气柱。 (4)(4)雾式环状流雾式环状流 当当 较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸作用，较高时，贴壁为液膜，由于气相的卷吸作用， 核心为雾状气柱。核心为雾状气柱。 M MM , MM, M 14严选课件 二二. .流型图流型图 1.1.实验条件实验条件 空气和多种液体混合物空气和多种液体混合物,d,di i=25.4mm,P=0.17MPa=25.4mm,P=0.17MPa 2.2.坐标参数坐标参数 横坐标横坐标 纵坐标纵坐标 gd j gd jj Fr fg 2 2 25. 0 3 www y V V 1 15严选课件 一一. .水

12、平不加热管中的流动型式水平不加热管中的流动型式 1. .泡状流泡状流 气泡趋于管道上部，下部较气泡趋于管道上部，下部较 少。其分布与流速关系很大。少。其分布与流速关系很大。 液相流速增大，分布趋于均匀。液相流速增大，分布趋于均匀。 2.2.塞状流塞状流 气泡聚结长大而形成气塞，气泡聚结长大而形成气塞， 与垂直上升流中弹状流相似。与垂直上升流中弹状流相似。 大气塞后有小气泡，由泡状流大气塞后有小气泡，由泡状流 过渡而来。过渡而来。 2.4 2.4 水平管中的流动型式水平管中的流动型式 16严选课件 3. 3. 分层流分层流 特征：特征： (1)(1)出现在出现在 都比较小的情况；都比较小的情况；

13、 (2)(2)两相完全分离，气相在管道上方流动；两相完全分离，气相在管道上方流动； (3)(3)气液之间有明显的分界面。气液之间有明显的分界面。 4. 4. 波状流波状流 气相流速足够高时，由于气相的作用，在界面上产生一个扰动波，气相流速足够高时，由于气相的作用，在界面上产生一个扰动波， 扰动波向前推进向波浪一样，形成波状流。扰动波向前推进向波浪一样，形成波状流。 5. 5. 弹状流弹状流 在波状流基础上，随着气相流速的增加，会使这些扰动波碰到流道在波状流基础上，随着气相流速的增加，会使这些扰动波碰到流道 的顶部表面，形成气弹。的顶部表面，形成气弹。 弹状流与塞状流的区别弹状流与塞状流的区别

14、(1)(1)弹状流的气相流速低于塞状流的；弹状流的气相流速低于塞状流的； (2)(2)气弹顶部无液膜；气弹顶部无液膜； (3)(3)塞状流由泡状流过渡而来，弹状流由波状流过渡而来。塞状流由泡状流过渡而来，弹状流由波状流过渡而来。 6. 6. 环状流环状流 受重力作用，周向液膜厚度不均匀。受重力作用，周向液膜厚度不均匀。 出现在气相流速较高、流量比较大，而液相流速较低时。当壁面粗出现在气相流速较高、流量比较大，而液相流速较低时。当壁面粗 糙时，液膜可能不连续。糙时，液膜可能不连续。 WW , 17严选课件 水平不加热管中的流型图片水平不加热管中的流型图片 18严选课件 水平不加热管中的流型图片水

15、平不加热管中的流型图片 19严选课件 二二. .水平加热管中的流动型式水平加热管中的流动型式 1.1.单相流单相流 2.2.泡状流泡状流 3.3.塞状流塞状流 4.4.弹状流弹状流 5.5.波状流波状流 6.6.环状流环状流 流型演变与流型演变与P P、q q、W Wo o密切相关密切相关 P P：当：当P P很高时，塞状流和弹状流消失；很高时，塞状流和弹状流消失； q q：q q较大，环状流所占范围扩大；较大，环状流所占范围扩大； WoWo：WoWo高，惯性作用增强，可消除波状流，流型不对称高，惯性作用增强，可消除波状流，流型不对称 性减小，接近竖直管中的流型。性减小，接近竖直管中的流型。

16、注意：注意：从工程角度，避免水平布置；当水平布置时，需要提高从工程角度，避免水平布置；当水平布置时，需要提高 入口水的流速，使入口水的流速，使Wo1m/sWo1m/s，可避免波状流。，可避免波状流。 20严选课件 流型图遵循四原则流型图遵循四原则 简易性原简易性原 则则 主导性原则主导性原则 适用性原则适用性原则 发展性原则发展性原则 21严选课件 2.9 2.9 管内淹没和流向反转过程的流型管内淹没和流向反转过程的流型 一一. .气液两相逆向流动的两种极限现象气液两相逆向流动的两种极限现象 淹没（液泛）、流向反转（回流）淹没（液泛）、流向反转（回流） 二二. .淹没和流向反转现象淹没和流向反

17、转现象 注水器注水器 气体气体 底桶底桶 1.1.气体流量由零开始增加气体流量由零开始增加 液体液体 22严选课件 图图2-31 淹没过程的压降和流量变化淹没过程的压降和流量变化 淹没过程实验现象淹没过程实验现象 A B 23严选课件 液体流量一定，当气体流量增加到某一点时，液体流量一定，当气体流量增加到某一点时， 环状液膜表面出现较大的波浪，管段内压差突然升环状液膜表面出现较大的波浪，管段内压差突然升 高，注水器上部有水带出，此点即为高，注水器上部有水带出，此点即为淹没开始点淹没开始点。 出现的特征之一：出现的特征之一：注水器以下管段中压差突然注水器以下管段中压差突然 升高升高。 当继续增加

18、气体流量，达到某一点时，气体当继续增加气体流量，达到某一点时，气体 将全部液体带出试验段，此点称为将全部液体带出试验段，此点称为液体被全部携液体被全部携 带点。带点。 24严选课件 2 2. .气体流量逐渐减少气体流量逐渐减少 当气体流量降到某一值时，当气体流量降到某一值时， 液膜开始回落到注水器以下，此液膜开始回落到注水器以下，此 点称为点称为流向反转点。流向反转点。 在流向反转点后继续减少气在流向反转点后继续减少气 体流量至某一值时，全部液体恢体流量至某一值时，全部液体恢 复向下流动，这点称为复向下流动，这点称为淹没消失淹没消失 点。点。 淹没消失点与淹没开始点所淹没消失点与淹没开始点所

19、对应的气体流量不相等，淹没消对应的气体流量不相等，淹没消 失点所对应的气体流量比淹没开失点所对应的气体流量比淹没开 始点对应的气体流量小，这种现始点对应的气体流量小，这种现 象称为象称为淹没消失滞后淹没消失滞后。 25严选课件 26严选课件 和和 反映了惯性力与重力的比值，反映了惯性力与重力的比值，WallisWallis给出，发生给出，发生 淹没时满足以下条件淹没时满足以下条件： 2.2.淹没和流向反转过程的表达式淹没和流向反转过程的表达式 1 1）. .发生淹没发生淹没( (液阻液阻) )的条件的条件 引入两个无量纲量引入两个无量纲量 （2-11） 式中，式中，m m和和c c是两个常数，

20、主要跟气体的入口条件有关，可是两个常数，主要跟气体的入口条件有关，可 有试验来确定。一般情况下，有试验来确定。一般情况下，m1,cm1,c1. 27严选课件 2 2）发生流向反转的条件）发生流向反转的条件 3 3）液体被全部携带点判定条件）液体被全部携带点判定条件 也可用库塔杰拉兹数来表达液体全部携带点也可用库塔杰拉兹数来表达液体全部携带点 * G J m * 0.7 G J (2-17) 1 2 1 4 G J Ku g 1 4 3.2 GB KuJN 28严选课件 3. 3. 研究淹没和流向反转的重要性研究淹没和流向反转的重要性 29严选课件 3. 3. 研究淹没和流向反转的重要性研究淹没

21、和流向反转的重要性 1 1）反应堆出现破口事故时，安注系统的投入，需要）反应堆出现破口事故时，安注系统的投入，需要 避开淹没产生的条件，保证冷却水进入堆芯，冷却燃料棒；避开淹没产生的条件，保证冷却水进入堆芯，冷却燃料棒； 2 2）破口事故时，一回路循环工质将沿与蒸汽发生器）破口事故时，一回路循环工质将沿与蒸汽发生器 底部相连的水平管流回反应堆，在自然循环作用下带出堆底部相连的水平管流回反应堆，在自然循环作用下带出堆 芯热量，此时会在水平管处产生气液逆向流动，可能会发芯热量，此时会在水平管处产生气液逆向流动，可能会发 生淹没现象，因此对水平管内淹没现象发生条件还需进生淹没现象，因此对水平管内淹没

22、现象发生条件还需进 一步的研究。一步的研究。 30严选课件 4. 4. 竖直管内气液两相逆向流动流型图竖直管内气液两相逆向流动流型图 泡弹，环 ppp 图中，图中，a线表示发生淹没时的界限，线表示发生淹没时的界限， 无解区表示液体全部被携带。无解区表示液体全部被携带。 多种流型共存的区域，可用多种流型共存的区域，可用 下属方法进行判别：下属方法进行判别： 1 14 2 2 1 2 b g 0.35 gD1.53 0.46 d g 1. 当管道当管道 出口阻力小时，流型为环出口阻力小时，流型为环 状流；状流； 2.2.当出口阻力大时，如满足当出口阻力大时，如满足 流动为泡状流，否则为弹状流。流动

23、为泡状流，否则为弹状流。 31严选课件 (2)(2)低液相流速下，空泡份额低液相流速下，空泡份额 （Taitel等（等（19801980年）年）) ) 1. 1. 泡状流泡状流- -弹状流的过渡弹状流的过渡 (1)(1)气泡的聚结机理气泡的聚结机理. .气泡在碰撞聚结过程引起气泡的长气泡在碰撞聚结过程引起气泡的长 大，并最终使泡状流过渡到弹状流。确定过渡的关键使气泡大，并最终使泡状流过渡到弹状流。确定过渡的关键使气泡 碰撞聚结的频率。碰撞聚结的频率。 2.10 2.10 流型之间的过渡流型之间的过渡 5 3/1 1/74. 0 b d c f 25. 0 (3) (3)高液相流速下，液相紊流应

24、力起着离散气相，阻碍气高液相流速下，液相紊流应力起着离散气相，阻碍气 泡聚合的作用，当紊流应力作用大于气泡受到的浮力时，将泡聚合的作用，当紊流应力作用大于气泡受到的浮力时，将 引起泡状流向弹状流的转变引起泡状流向弹状流的转变. . 32严选课件 2. 2. 水平管中分层流动的出现范围水平管中分层流动的出现范围 (1)气相速度高，使分层面出现波浪，形成弹状流。消除气相速度高，使分层面出现波浪，形成弹状流。消除 分层流动的蒸汽界限速度如下式表示：分层流动的蒸汽界限速度如下式表示： 75.0 5 .0 4 5 .0 1 38.0 x xd Wj (2) (2)波的失稳机理波的失稳机理. . 波状波状

25、分层流向间歇流之间的过渡是分层流向间歇流之间的过渡是 由于气相通过波形交界面的波峰处受到加速，产生局部压力由于气相通过波形交界面的波峰处受到加速，产生局部压力 降落，使峰部同时受到抽吸作降落，使峰部同时受到抽吸作用用，若抽吸力大于峰部重力效，若抽吸力大于峰部重力效 应时，波峰便会扩大，产生流型的过渡。应时，波峰便会扩大，产生流型的过渡。WallisWallis根据实验数根据实验数 据给出了弹状流起始条件为：据给出了弹状流起始条件为： 2/3* 2 1 g j 33严选课件 3. 3. 弹状流弹状流- -乳沫状流过渡乳沫状流过渡 (1)(1)淹没机理淹没机理 上升的气流使平稳的气液界面遭到上升的气流使平稳的气液界面遭到 破坏，下降的液膜产生流向反转从而破坏，下降的液膜产生流向反转从而 破坏了稳定的弹状流。这个机理最早破坏了稳定的弹状流。这个机理最早 是由是由NicklinNicklin和和DavidsonDavidson提出的，可以提出的，可以 采用淹没关系式表达这一过渡。采用淹没关系式表达这一过渡。 (2)(2)液柱失稳机理液柱失稳机理(Taitel) (3)