摩擦压降及环状流解析计算

1.摩擦压降计算：直径D=5.08cm管子，P=180bar，进口流量W=2.14kg/s，进口为饱和水，粗糙管，出口干度，管长100m，求两相流的摩擦压降。〔分别用M—N法、Chisholm方法〔经验的C公式〕、苏联78年计算标准、我国水动力计算方法〕解：由P=180bar，查水蒸气饱和曲线得：饱和水和饱和蒸气密度分别为，；饱和水的动力粘度为求得质量流速为：〔1〕M-N方法：式中、分别为两相压降和假设管内全部为水时的压降由和查得Martinelli—Nelson的关系图，得管内充满水时，摩擦阻力系数，那么故两相流的摩擦压降为：〔2〕Chisholm方法：P=18MPa>3MPa，且管道为粗糙管，故，此时，，且，故对于均相模型截面含汽率，由Chisholm关系式为采用M-N方法计算的值，〔3〕苏联78年方法：摩擦阻力系数且进口为饱和水，那么=0，又，求得平均干度查《气液两相流和沸腾传热》的图表得，故摩擦压降〔4〕我国水动力方法：由于，采用计算式为：故摩擦压降为：2.环状流解析计算及其研究现状分析解析计算：环状流的解析计算就是对液膜流率、液膜厚度以及压力梯度的三角关系，液滴沉积方程式，以及夹带的相关关系求解。的计算步骤：〔1〕根据的压力梯度估算界面切应力；〔2〕根据力的平衡，利用第一步所得出的值计算液膜中切应力的分布；〔3〕根据液膜中切应力的分布曲线和有效粘度来计算液膜中的速度分布曲线；〔4〕沿速度分布曲线积分便可求得。一般采用与别离流动气相动量方程式相类似的方法计算界面切应力，对于等截面的流道中的稳定流动来说，。对于均匀混合的气芯的动量平衡，动量方程可以改为为平均气芯速度，对于圆管，可以根据总压梯度来计算界面切应力，假设未知，根据无相变时的切应力计算。界面切应力与径向位置的函数关系：速度分布对于层流，，由边界条件积分：对于湍流，，当，根据Deissler公式涡流扩散率，当，根据VonKarman公式计算对于向上的层流，如果壁面切应力通过液膜变化很小〔即可以假设界面切应力和壁面切应力相等〕，并且液膜的厚度与管半径相比很薄，这时可以很方便地进行简化。在这种情况下，对于层流，液膜摩擦系数，液膜平均速度定义液膜雷诺数在低雷诺数的极限情况，；对于高雷诺数，根据Hewitt的研究结果把作为液膜雷诺数的函数计算。三角关系简化形式的用法：根据决定液膜的雷诺数，再由液膜摩擦系数与液膜雷诺数的关系图查取的近似值，然后根据估算的界面切应力，由计算液膜的流量。液膜厚度的计算：摩擦压力梯度单相液体以质量流率流动时的压力梯度为：压降因子对于所有的液体全部在液膜中流动的情况，整理得到应用最广的界面粗糙度关系式就是Wallis公式：Whalley与Hewitt提出了一个改良的关系式：液滴的夹带和沉积、蒸发会导致液膜质量流量沿流动方向发生变化，在管道Z处液膜的质量守恒方程为：当前，夹带的液滴份额和夹带率确实定主要依赖于实验测量以及经验关系式，测量夹带率的方法还不太令人满意。通常，夹带率是根据流体动力平衡条件下的夹带流率的数据求得的，即Ishii和mishima建立的关系式，模型〔适用于低压下空气-水混合物,使用范围较窄〕表示为：TomioOkawa等致力于开发能够在广泛的流开工况范围内正确预测环状两相弥散流中液膜质量流量的关系式，模型表示如下：，，其中Kataoka的夹带率模型，表示如下：(1)当时，(2)当时，Kataoka和Ishii又进一步对前人提出的关系式进行整理和总结，得到改良的关系式表示如下：Ueda研究垂直管的降膜流动，提出了沸腾时的夹带率关系式，表示如下：沉积率与沉积传质系数和液滴在气芯中的浓度有关，沉积率的大小主要由液滴的扩散所控制，小液滴的沉积率通常根据下面的简单公式来计算：，对于质量传送系数k已经做了很多理论研究和试验研究，已经开发出可信赖的关联式。这些关联式都是基于对流动结构、气芯和液滴的湍流扩散以及液滴尺寸的详细物理分析得出的。计算传质系数k的几种关联式的介绍如下Paleev和Filipovich’s的关联式McCoy和Hanratty的关联式〔不适合高压〕Whalley和Hewitt提出了适合于低压和高压的关联式研究现状：两相流流型和流动结构依赖于气液两相的流速、物性和管道几何尺寸。环状流是其中较重要的流型，此时液相覆盖管道内壁形成了液膜，气相在其内部高速流动，并可能夹带局部液滴，由于这种流型存在很宽的汽、液流速范围内，因而普遍存在于各种工业中，无论管道是否水平、垂直或者倾斜，管内都能形成环状流，即环状流的形成与布置方式无关。在油气井生产中，随着压力降低，油气混合物不断析出气体，环状流普遍存在于水平及垂直井中。环状流常出现在水平和微倾斜管中，深入了解环状流的流动特性为油气井开采和评估提供参考依据，为油气混输管线和动力设备及运行参数的优化提供理论指导。在电站锅炉水冷壁及再热器，核反响堆中的蒸汽发生器及冷凝器中都存在环状流。深入研究环状流特性，对增大反响堆堆芯蒸发器临界热负荷，提高核反响堆平安性有着重要的作用，同时也可防止在水冷壁、再热器及省煤器中出现传热恶化而造成设备损坏。另外，在化工、制冷、冶金等工业设备中也常出现环状流，因而开展环状流流动特性和传热规律的解析计算和研究，对工业设备的设计和运行参数的选择有着重要的参考价值和应用背景。在环状流中存在一个研究很久，又没能解决的根本问题：水平管中液膜如何克服重力作用向管子顶部输送并形成连续液膜。针对这一问题国内外许多专家学者进行了研究，Butterworth等认为环状流形成的机理大致可以分为以下几种：(1)夹带一沉积机理．该理论认为环状流的液膜是由于高速气相把液相以液滴的形式夹带到管子顶部形成的，管子底部厚液膜的夹带率高于顶部薄液膜的夹带率，顶部液膜不会加厚的原因是其中的净夹带局部在重力的作用下沿管壁回流到管子的底部．(2)二次流机理它认为沿管子的周向有一个粗糙度的变化，气相在高速流过管子截面时，由于周向的粗糙度不同将会在气相中引起二次流，靠近气液界面的气相向上流动，将界面处液相带到管子顶部，壁面处的液相那么向下流回管底．(3)波一交混机理．其假定环状流形成前，在管子周向已形成了具有很强扰动的波，每当一个波通过时，在波内部剧烈的交混作用下，液膜沿管子周向均匀铺开，从而在管子顶部形成液膜．与波一交混机理相似的还有波涛机理，它认为液相是被管子底部的强烈扰动“抛”到管子顶部，而不是沿周向输运的．(4)帆船机理．该机理认为随着气相流量的加大，气液界面的波发生变形，作用在波上的压力分布也相应发生变化，产生了周向方向的分量，在此压力分量的作用下，波内所含有的液相沿管子周向输送到顶部，在顶部形成了环状液膜．目前以上四种机理被人们所认可，但是对不同机理之间还具有分歧。同时国内外对垂直上升管流中的环状流进行了大量的研究，其中较为有名的有一维一速假定的均相方法；二维一速假定的滑移方法，如Bankoff方法；一维二速的假定扩展方法，如Wallis方法；二维二速假定的漂移方法，如Zuber-findlay方法等。国内毛伟和张绍槐提出了预测环状流重要参数的数学