气液两相流-第3章-流型课件.pptx

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1、内容概要,流型的基本知识,流型的分类,流型和流型图,流型研究中存在的问题,1,2,3,6,气液两相流流型转变界限,气液两相流流型的影响因素,4,5,3.1 流型的基本知识,1定义：气液两相流中，不同的流量、压力、管路布置状况和管道几何形状都会造成相界面的形状（分布）的不同，即形成不同的流动结构模式，对此称为流型（流态，流谱）2流型研究的目的和意义：不同流型具有不同的压力、流量特征，也具有不同的传热特性，不考虑流型变化的阻力和传热特性计算是粗糙和不可靠的。可以说流型是两相流研究的基础。50年代Baker等就证明了流动特性计算和流型间的这种依变关系。,3应用流型研究的方法过去的方法：（1）进行大量

2、的试验（2）画出流型图（3）根据流动条件在流型图上确定流型现在的方法：（1）根据试验和理论分析，探讨流型产生、发展的过程，建立流型转变机理的数学物理模型；（2）根据流型转变的机理来判断流型；（3）然后，根据具体流型的特征来建立相应的数学物理模型，进行流动特性和传热特性的计算。,流型的分类经历了一个由粗到细，又由细到粗的过程。并不是越细越好，应以满足工程实际应用和两相流计算的需要为目的，摒弃那些似是而非，没有显著特征的流型分类，将其归并到其它流型中去。流动形态多种多样，界限也不是十分清晰。在处理两相流体力学问题时，可以人为地分为几种流动形态，并且认为，在每一种流动形态范围内，其流体力学特性是基本

3、相同的。,3.2 流型的分类3.2.1 分类,流型的划分目前有以下两类：第一划分方法：根据两相介质分布的外形划分，括号内的流型只出现在水平和微倾斜管中，泡状流(Bubble Flow)；柱塞流(Plug flow）；段塞流(Slug flow)；块状流(Churn flow)环状流（Annular flow）雾状流(Mist flow)(分层流Stratified flow)(波状流Wavy stratified flow)；,第二类划分方法：按照流动的数学模型分类：分散流动或弥散流（dispersed flow）分离流(separated flow)间歇流(intermittent flow

4、),3.2.2 流型的识别方法,方法很多，如观察法（高速摄影）、射线衰减法、电容法、压降脉动分析法、电导法等，每种方法各有其特点，但还没有一完善的方法。这主要是由于相界面形态的多样性以及流动本身的复杂性而造成的。目前常用两种或几种方法组合，以便取长补短。但目前对流型的识别仍不成熟，流型间的转变不是一个突变过程也是原因之一。在转变区域存在一些具有其相邻两种流型特征的中间流型，要确定一个界限值不容易。目前的各种方法中，人的主观因素影响很大。,流型是气液两相流研究的基础。研究流型首先要完成流型的识别，没有准确的流型识别方法就谈不上依据流型计算的准确性。最初，人们对流型的识别仅仅是通过目测观察法来进行

5、，后来又借助高速摄影来判别，但由于两相流的复杂性，这种带有主观性的观察无疑会带来较大的误差（可能因人而不同），于是又相继出现了流型识别的其他手段。,流型识别技术根据使用方法的特点，大致可归纳为以下几种：（1）观察法和高速摄影技术这种方法最简单和直接，因此，在可能的条件下，人们也往往采用。但是直接目测观察要求管壁是可透视的或设有观察孔，而且流动速度不能太快，否则将无法准确判断。高速摄影技术的应用弥补了目测观察法的不足，能够捕捉住高速流动过程中某一瞬间的流动图像，曾被Cooper et al.，Arnold&Hewitt 等所应用和发展。但是，相界面的复杂性，光线在相界面上的多重反射和折射，会妨碍

6、从外面对流动的观察，很难透视管中的真正流动。如液膜中带有气泡的环状流，用高速摄影会误判为泡状流，这时可采用轴向观察法。,观察法和高速摄影技术,（2）流动参数的波动量统计分析法：这是一种通过对某一流动参数的波动量的统计分析来确定流型的方法。通常采用的有对压力（压降）、电导率、截面含气率或液膜厚度等参数的脉动量分析法。,流动参数的波动量统计分析法,用管路局部压力（压降）波动法测定流型 就是利用管线上某一测点的压力（或某一测量段的压差）随时间变化的规律来确定流型的方法。这种方法使用方便而且效果较好，曾被广泛应用。连续测量管路某点的局部压力，分析压力信号的功率或频谱密度，可区别管路内流型。Hubbar

7、d-Dukler和Simpson等人已用这种方法区别出分离流、弥散流和间歇流三种流型。该法的不足是：对压力波动信号的分析不如图像输出清晰，比如在较高质量流速和低含气率时，与流型相对应的信号并不是很清晰，辨别起来就很困难；另外一个问题就是存在从试验段出口的压力反射波的虚假信号影响。因此，在这方面仍须改进。,用电导率（用电导探针测量）、截面含气率以及液膜厚度等的脉动特性来识别流型，其基本原理是一样的，就是根据两相流体流过管道时，在不同的流动状态下，截面含气率、液膜厚度、电导率的变化特性来确定流型。用电导探针来识别流型的方法最初是由Solomen和Griffith提出，后来又经Barnea et a

8、l.改进，具体方法可见相关文献。用截面含气率、液膜厚度等识别流型的方法见文献25，26，在此不一一赘述。,功率谱密度是一种概率统计方法，是对随机变量均方值的量度。一般用于随机振动分析，连续瞬态响应只能通过概率分布函数进行描述，即出现某水平响应所对应的概率。频谱分析（也称频率分析），是对动态信号在频率域内进行分析，分析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值以频率为变量的频谱函数F()。,目前常用的有借助于射线照相术及多束测光密度术的两种流型识别方法。1)X射线照相术曾被Benett et al.;Hewitt Mayinger&Zetmann等应用在流型识别中，它是借助于X

9、射线仪向测试管段发出很短的射线脉冲。由于两相相分布的不同，因而穿过管道后X射线荧光检测仪接受到的X射线也就不同，以此来识别流型。,应用辐射吸收特性的空间分布规律来识别流型的方法,x射线照相法:用x射线的吸收特征确定含气率 流体对x射线的吸收率随流体瞬时密度的增加而增大，即：随含气率的增加而减小。用x射线吸收特征测定含气率时，监测器输出信号代表管内流体的含气率，在一段时间内连续测量含气率可得含气率的概率分布，依此判断流型。Hewitt认为，这是一种较有前途的测流型方法。这种方法可避免可见光与气液界面一系列复杂的反射和折射，并可透过金属管壁观察流体流动情况。不足是：需减少管壁对x射线的吸收率，提高

10、照相的分辨率，另一重要问题是解决放射性的处理问题。,2)多束测光密度法是利用多束射线穿过两相流管路时，接收到的光线密度的变化来确定流型。可用X射线、射线。射线源的强度越高，时间响应越好（如Cs137源）用射线吸收规律来识别流型时，应注意辐射对人体的伤害；另外,由于存在着管壁因素等影响，因而对于高压下的厚壁管道就不太适应（因为管道吸收太多的光子能量）。,x和射线穿过物质时，射线强度发生衰减。设有一束射线的初始强度为I0（每平方米每秒的光子数），准直射来的吸收可用指数吸收定律来描述：射线穿过两层管壁和两相混合物后，再进入探测器。使用这种方法时，先测出管内全部为气体和液体时，所接受到的射线强度IG和

11、IL，然后测量管内气液混合物的射线强度I，含气率可按下式求得：,多束射线密度计,上述方法测得的含气率仅是射线透过管截面某一弦长上的含气率。为取得截面平均含气率，可采用多束射线或与管道直径一样宽的宽辐线和准直仪。图为Lassaha获取管内流型资料的三束射线密度计系统。,这种测量方法存在的问题是：存在与辐射操作有关的安全问题；光子的产生带有随机性质，故辐射测量存在基本的统计误差。需要较长的测量时间使标准偏差减小；气泡的方向性对测量精度有一定影响。,流型测量方法的选择,管路内气液流速很低，用目测法就可判别流型时，采用目测法和透明试验管段。在有透明测试段的地方，有时可采用高速闪光和电影摄像机判别流型。

12、但管内存在复杂气液界面时，由于界面产生的光的反射和折射会妨碍对流型的观察，看到的可能是贴近管壁的那部分流体结构，看不到管中心部分，这种方法所得资料数量极大，整理困难并带有人为因素。这时可采用下述方法。不适合采用射线照相和射线密度计的场合，可采用压力波动测定的分析法。管壁对x射线吸收量不多的场合，可采用x射线照相法。但该法只适用于定点照相，不适合跟踪照相。对稳定两相流，可采用x射线吸收法测定含气率波动的统计数据。对瞬态或过渡流型可采用多束x射线或射线密度计。,3.3 流型和流型图,流型图（Flow Pattern Map）:在两相流条件下，反映流型发生区域的图。为了更直观地反映两相流的流型变化情

13、况，最早的流型图的概念由Kosterin(1949)提出，随后Baker(1954)建立了第一张实用流型图，并在石油工业和冷凝工程设计中得到了广泛应用。为了在流型图上纳入更多、更全面的流型影响因素，许多研究者相继建立了不同坐标系的流型图，但目前被最广泛采用的还是以两相折算流速为坐标的 Mandhane et al.(1974)流型图，但如Lin Hanratty(1987)指出的那样，在Mandhane流型图中，没有计算管路几何尺寸和流体物性的影响。但是，由于实际上流型的影响因素很多，要想完全考虑进去是不大可能的。必须寻找更合适的方法来确定流型。,流型图是建立在实验研究的基础上的，因此其应用也

14、受到实验数据源的限制。随着气液两相流研究的不断深入，流型图也在不断完善，以下仅就各种简单的和复杂管道中的气液两相流流型以及流型图进行简要地说明。各文献定义了多种多样的流型，这一方面是由于流型变化的复杂性；另一方面是由于不同作者对同一流型的命名不同。,目前研究最多，因此相对来说最成熟，但主要是以低黏度工质为基础的，最初的研究因为在流型的识别上仅仅采用观察法，因而不免存在着较多的混淆。目前对上升流的流型通常分为以下四种，即泡状流，段塞流，块状流及环状流四种。以上四种流型还可以进一步细分，比如对环状流，根据气核中是否携带有液滴或液条，又可分为环雾流和带纤维的环状流等。流型间的转变并不是突然发生的。因

15、而在这一转变过程中也可能观察到许多具有两个基本流型部分特征的中间流型。但流型的划分并不是越细越好，而应以满足工程计算和理论研究的需求为目的。,3.3.1 垂直上升流动,泡状流：当气液两相流速较低时，不规则形状的气泡分散在连续的液相中，并由于浮力的作用，以比液相快的速度向上运动；段塞流：随着气速的增大，大部分小气泡合并成弹状的、直径接近管子内径的Taylor气泡，在Taylor气泡之间是含有小气泡的液弹段（Liquid Slug）。根据Taylor气泡的形状，又有人将其称为“弹状流”。块状流：再增大气速，原来呈弹状的大气泡发生变形，其周围含有气泡的液膜上下波动，同时，液段也时常被剧烈扰动的气团破

16、碎成液块。其总体特征是大小不一的气团在含有气泡的液流中混乱地向上运动。环状流：进一步增加气速，大气泡首尾相接，在管子中心形成夹带液滴的气流，管壁上的液膜连续地向上运动。,垂直上升管内的流型,垂直上升管中的流型图,Govier-Aziz流型图：1972年发表,Weisman流型图：发表于1979和1981年,分类：分层流、泡状流、段塞流、环状流。特点：由于重力影响，两相分布更不均匀，气相偏向于管顶部聚集。,3.3.2 水平管中的流型,在水平或微倾斜管中，由于重力的影响，两相分布呈现出不对称状态，即气相偏于向管顶部聚集，液相偏于在管底部分布。通常水平管中的流型可分为以下四种：（1）分层流 在这种流

17、动中，当两相流速较低时，气相和液相分开流动，两相之间存在一平滑的分界；而当在流量较高时，两相分界面上由于Kelvin-Helmhoz现象出现界面波。因此，根据相界面的形态可将其进一步划分为光滑分层流和波状分层流。（2）间歇流 在水平流动中，经常会出现间歇流。它由液弹段和Taylor气泡段组成，通常其长度为几十倍管径大小。液弹和Taylor气泡段交替流过管截面，从而会引起大的压力脉动。根据液弹中含气量的多少，又可将其进一步细分为长泡状流、段塞流和块状流（泡沫流）三种。水平管中长泡状流和块状流的流动特征和垂直上升管中的基本相似（除由于重力影响，气相偏于向管顶部聚集外）。在块状流中，液相粘度越高，乳

18、化作用越明显，液块中的气相含量越大。因此，这时块状流呈现出一种强湍动的泡沫状流动状态，这也就是有些研究者将其称为泡沫流或乳沫流的原因。,（3）环状流 当气相流速很高时，长的气泡首尾相接，形成气芯流动。液相则沿管壁周向形成一层液膜。由于重力的作用，液膜在管底部较厚。气速较高时，在气芯中也常携带有一定量的细小的液滴。（4）弥散泡状流 当液相流量较大，气相流量较小时，气相便被破碎成细小的气泡分散在连续的液相中。气泡偏于向管顶部聚集，气相速度越高，其在管截面上的分布相对来说越均匀。图318为水平管中气液两相流的各种流型。,1954年，Baker最早提出一幅水平两相流型图,水平管中的流型图,1963年S

19、cott对Baker流型图作了二点重要修改,（1）显示了不同流型间的过渡区域；（2）取消了环状流和弥散流（是指mist flow）的分界线，因为弥散流同样存在液环，只是液环太薄无法测量而已。,1962年Govier和Omer 流型图,上述两幅流型图的纵、横坐标不同，不便于对比。但其共同点是，认为除气液相流量对流型有关外，气液物性（，）对流型也有影响。,1974年，Mandhane又提出了一幅在水平管路状态下以气、液相折算速度为横、纵坐标的流型图,对垂直下降管中的气液两相流流型的研究较少，主要是借鉴垂直上升管和水平管中流型研究的方法。主要实验研究和文献有：Barnea et al(1982a)、

20、Troniewski&Spisak(1987)以及作者对较粘性流体进行的研究（见博士论文，1996）其流型大致可分为：泡状流、间歇流、环状流（包括降膜流）。,3.3.3 垂直下降管中的流型,垂直下降管中的流型按流动特征大致可分为泡状流、间歇流、环状流和降膜流四种。泡状流：通常发生在较高液速和低气速时，在垂直下降流中，根据两相流速的不同，气泡可呈现出不同的形状。在很低气、液相速度时，由于气泡浮力相对液相湍流力的增大，气泡缓缓下移。这时小气泡间相互合并形成较大的气泡或气团，在液相粘滞力的作用下被拉长，形成长长的贴壁气泡或气条（图37C），将其称为贴壁长泡状流。增加液速，这时可以看到气相在较强的液相

21、湍流力作用下破碎成细小的气泡，弥散在液相中随之一起向下流动，这时气泡可呈球形或椭球形（图37a），在相对较低的液速时则呈为半球形或伞形（图37b）。气泡越小，移动得越快，就越向管子中心移动；在很低的液速时，还可以看到一种间歇型的泡状流状态。这时，由于液相不足以拖动气泡，或流体上粘滞力和气泡浮力处于平衡状态，因此小气泡在管中近乎停滞或反而缓慢地向上运动。于是气相开始聚集，当达到一定程度后，气相便冲破阻力（浮力和液相阻力）以一大团弥散在液相中的小气泡群形式（泡状流）向下流动。随后气泡便又开始停滞、积累流下，反复此过程。由于此时气、液相流量都很低，且气泡在停滞或成为气泡群下移时，总以泡状流的形式出现

22、，其压降时均值和脉动值都较小，因此本文仍将其归入泡状流的范畴。,间歇流：在较高气速和液速时，还存在一种流型，这时气相和液相（含有小气泡）交替流过管截面，形成一种近似周期性的流动，称之为“间歇流”。根据液段中截面含气率的大小，又可将其分成：长泡状流（Elongated bubble flow）、段塞流（slug flow）和块状流（churn flow）三种流型，段塞流是间歇流的一种代表性的流动状态。它由Taylor气泡段（直径接近管子内径）和液弹段组成，它们交替流过，从而造成压降和流量的脉动，Taylor气泡周围是贴壁液膜，在液段中也含有一定量的小气泡（长泡状流又称为准段塞流，它是段塞流中液弹

23、截面含气率为零时的一种极限状态，即液段中不含小气泡；而块状流则是段塞流中液段截面含气率达到极大值的另一极限状态，这时两相流动更为强烈，液段被破碎成含有小气泡的液块或液团（图37g）。环状流：当气速很高时，气相便以气核的形式在管子中心流动，而液相则成为贴壁液膜向下流动（图 37g）。根据两相流速的不同，在气核中也可携带有从液膜撕下的液滴或液条。因而又可将其进一步划分为环状流（气流中携带有小液滴）和带纤维的环状流。,降膜流：它发生在较低的两相流速时(液速要比泡状流时小得多)，气相在管中心流动，液相在重力作用下形成薄的贴壁液膜缓缓流下。由于两相湍流度小，通常液膜中不含气泡，气流中也几乎不含有液滴。它

24、不同于高气速流动下的环状流，而是相应于水平流动中的分层流区域。只是由于重力方向和流动方向平行，而无偏心分布现象（图 37h）。但是，它在流动型态和流动特性（如压降特性）上与环状流极其相似，因此有些研究者如Barnea，将其归入环状流中。而且从流动特性计算的角度来考虑，也的确无进一步细分的必要。因此，尽管为了详细说明起见，在流型分类上将其独立出来，但在本文后面的流动特性计算中仍将其归如环形流中。,在高粘液体的下降流中，由于液相粘度的影响，还可以看到一些不同于低粘液体两相流的情形。如在间歇流中，当两相流速较低时，我们可以看到在缓缓向下流动的大气泡中有一丝下垂的液条贯穿其中，就象悬空的钟乳石一样。这

25、时，通常液段中无气泡存在，TroniewskiSpisak将其称之为钟乳状流动（图3-7j）。,垂直下降管中的流型图,工业中倾斜布置的的管子也很多，如空气冷凝器的大倾角管子、油气开采中的斜井（如在海滩上抽取海中心的油）、海底管线、锅炉中的各种倾斜管等。但目前研究较少。倾角是影响流型的一个很重要的因素。对倾斜管中流型及其转变的研究近年来有新发展，如Barnea等人（1982、1985）的研究、多相流荆建刚、王昱等人的研究等，但这还远远不够。主要结论：分层流与间歇流的过渡对倾角特别敏感,管路向下倾斜时很容易产生分层流，上倾时则易产生间歇流。管路倾角对分散气泡流/间歇流和间歇流/环雾流过渡的影响不大

26、。,3.3.4 倾斜管中的流型,总的来说，向下倾斜时，由于受重力的作用越易发生分层流；向上倾斜时，由于越容易形成液相的堆积，因而越易发生间歇流。在向上倾斜的管中，当倾角大于10时，分层流几乎消失，这也就是锅炉炉膛出口处的凝渣管的倾角通常设计的不得小于15的原因。下面是不同倾角对流型的影响。,倾斜管中的流型图,由于两相流动所受外力很复杂，因而其流型间的转变界限也有很大变化。目前这方面的研究还很不够。困难较多：流动更不稳定，也更不充分;流型测量困难；流动不均匀，流型也随时空变化很大，很难说整体上是什么流型。,3.3.5 管束、棒束、型管、螺旋管、矩形管、环形管中流型,工业中的应用：立管式凝结换热器

27、中蒸汽向上流动而凝结液膜往下流动；压水堆失水事故时，备用冷却水向下流动和蒸汽形成逆流。最常见的流型为：环状流，此外还有泡状流和段塞流。两种极限状态：1).液泛（Flooding）液泛是当气速增大到液膜开始停止往下流动且液膜不稳定，液膜波峰被气流撕破形成的细小液滴开始被气流带走时。,3.3.6 气液两相逆向流动时的流型（液泛和回流）,液泛,液泛流动的特点：液相注入区以上管段中的压力剧增(其由单相流转化为两相雾状流）；液膜停止往下流动且变得不稳定，液膜在注入点附近作忽上忽下的运动。当气速大于阻液速度，则液膜上流。计算液泛发生的主要方法多是经验关联式。常用的为Wallis法：其认为发生液泛的条件为：

28、其中 JG*为无因次折算速度，反映了惯性力与重力的比值。,其中系数m、c的取值如下：当重力影响远大于粘性力时，亦即Gr值很大时，m=1.0;当重力影响远小于粘性力时，亦即Gr值较小时：GrGrashof 数为：,2）.回流（Flow Reversal）高气速流动使注液区以下产生干涸后，液膜随气流一起向上流动，如使气速减小，则当气速减小到一定值时液膜将出现不稳定状态，在两相分界面上出现较大振幅的波，液膜有下降到注液区以下的倾向，这一工况称为“回流现象”。Wallis建议发生回流的界限有下式表示：,回流,在以上发生回流的关系式中含有管径的影响因素，但普希金的试验研究认为直径对发生回流并无影响作用，

29、其试验界限关联式为：（6309mm的管子，airwater）即 当气相惯性力与液相的静重力之比达到一定值时发生回流。,当前液泛和回流研究中存在的问题：直径的影响究竟如何？Wallis进一步的研究认为在大直径管子中，发生回流时的Ku值逐渐趋向于常数，即趋向与直径无关。即当气相惯性力与液相的重力之比达到一定值时发生回流。液泛和回流的研究对压水反应堆失冷事故的安全分析是至关重要的，冷却水沿着外壁下流冷却，但如果发生液泛则不能及时冷却堆芯。但目前还没有导出满意的理论公式或经验关系式。因而还需要对此进行深入的研究，特别是应在更大的范围内涉及到不同的流体物性及不同的几何性质。,3.4 气液两相流流型转变界

30、限,在气液两相流中，相界面的多样性造成了流型的变化。在两相流动阻力及传热计算中，要合理地建立物理模型，就要首先确定流型，这就要求能准确地确定流型转变界限。对此国外许多学者进行了大量的理论和试验研究工作，探讨流型转变的机理，建立了许多不同条件下的流型图。在流型转变中，不同的管路布置有着不同的流型转变规律。,A 流型 对垂直上升流的流型研究大多是针对空气水进行的，最初的研究因为在流型的识别上仅仅采用观察法，因而不免存在着较多的混淆。目前对上升流的流型通常分为以下四种，即泡状流，段塞流，块状流及环状流。以上四种流型还可以进一步细分，比如对环状流，根据气核中是否携带有液滴或液条，又可分为环雾流和带纤维

31、的环状流等。流型间的转变并不是突然发生的。因而在这一转变过程中也可能观察到许多具有两个基本流型部分特征的中间流型。但流型的划分并不是越细越好，而应以满足工程计算和理论研究的需求为目的。,3.4.1 垂直上升流的流型及其转变界限,流型,垂直上升管内的流型，根据气液相界面特征的不同可分为：泡状流、段塞流、块状流和环状流四种。泡状流：当气液两相流速较低时，不规则形状的气泡分散在连续的液相中，并由于浮力的作用，以比液相快的速度向上运动；段塞流：随着气速的增大，大部分小气泡合并成弹状的、直径接近管子内径的Taylor气泡，在Taylor气泡之间是含有小气泡的液弹段（Liquid Slug）。根据Tayl

32、or气泡的形状，又有人将其称为“弹状流”。块状流：再增大气速，原来呈弹状的大气泡发生变形，其周围含有气泡的液膜上下波动，同时，液段也时常被剧烈扰动的气团破碎成液块。其总体特征是大小不一的气团在含有气泡的液流中混乱地向上运动。环状流：进一步增加气速，大气泡首尾相接，在管子中心形成夹带液滴的气流，管壁上的液膜连续地向上运动。,对上升流的流型转变机理已进行了大量的研究，其主要机理如下；a 泡状流-段塞流转变泡状流发生在低气相流量时，当气相流量增大时，气泡就开始合并，形成较大的气泡或气团。有两个过程控制着泡状流的稳定性。即由于气泡间相互碰撞引起的气泡合并以及由于液相湍流力引起的气泡破裂。陈宣政(199

33、1)根据试验和理论分析得出垂直上升管内油气两相流的转变界限如下：即,流型转变,b 段塞流-块状流转变块状流是一种具有高度扰动的气液流动，它具有像段塞流那样的脉动特性，液团在管内做忽上忽下的振荡，但同时其脉动又具有随机性，它是一种介于段塞流和环状流之间的流型，对段塞流向块状流转化的机理，最突出的有以下四种：Dukler&Taitel(1986)的出口影响机理1。该机理认为块状流是由于出口影响而产生不稳定流动。McQuillan&Whalley(1985)的液泛机理2。即，考虑Taylor气泡周围液膜发生液泛时为转换发生的界限。Mishima&Ishii(1984)的Taylor气泡尾流影响机理3

34、。Brauner&Barnea(1986)的液弹气泡合并造成液弹破裂的机理,S.Jayanti&G.F.Hewitt(1992)在仔细研究比较以上机理的基础上，提出了提出了对McQuillan和Whalley的液泛机理修正后的计算模型修正的液泛机理，它具有较高的精确度和理论基础。认为段塞流向块状流的转变条件为：,其中,其中，U*GS,U*LS-为无量纲气液相折算速度，具体定义参见其文献。m系数，是相对长度L/D的函数。,Taylor气泡折算速度Vbs和液膜折算速度Vfs可由以下三式联立求得,式中 Taylor气泡周围的液膜厚度；系数m：,C.向环状流的转变其中：根据Taitel et al 的

35、分析结果，在低折算液速条件下，仅当管径大于临界值，即：时，垂直上升管内才会出现泡状流。,A.流型水平管中的两相流由于重力方向与流动方向垂直，使得两相分布呈现出不对称状态，即液相（重相）趋于向管道底部聚集，从而使两相水平流动更加复杂。对水平管中的气液两相流型从四十年代末以来已经进行了大量的研究，其中最为突出的如：Baker(1954);Hubbard Lin&Hanratty等的研究。,3.4.2 水平或微倾斜管中的流型及转变机理,水平管中的两相流流型按其流动特点可分为:(1)分层流：根据气液相界面是否存在波动又分为光滑分层流和波 状分层流两种；（2）间歇流：包括段塞流长泡状流和块状流；（3）环

36、状流（4）弥散泡状流,流型,TaitelDukler 根据Kelvin-Helmholz理论通过对分层流两相动量方程的分析得出了分层流向间歇流转换的界限为：Kokal&Stanislav 通过对空气轻油的试验和理论研究，建议、可根据、由Chen 式计算如下：式中 管壁粗糙度，m；相界面摩擦系数，可按下式计算：,1.分层流间歇流转变,2.间歇流环状流转变,根据许多作者的试验研究，水平或微倾管中气相的截面含气率可表示为：为气泡的浮升速度：其中 为两相分布系数。Nicklin et al 认为对间歇流=1.2。Hasan和Kabir 的试验研究表明系数 在两相流动过程中与倾斜角无关。于是对水平或微倾

37、斜管来说，上式写为：,0,0,0,为静液中单个气泡的浮升速度，它与管线倾角有如下关系：为水平管中的气泡浮升速度：整理得间歇流向环状流转换的界限为：其中,在弥散泡状流中，有两个力作用在气泡上，即气泡的浮力和液相的湍流力。浮力的作用使其向管子顶部聚集，湍流力的作用则倾向于使气泡分散。Levich 给出液体对气泡的湍流力可按下式计算：式中 是气泡径向速度脉动，可由摩擦速度 计算出来液相摩擦系数：气泡的浮力为：,3.间歇流弥散泡状流转变,转变机理：在间歇流中，当液相的湍流力足以克服气泡的浮力时，气相便被液相携带，以气泡形式分散在液相中，因此间歇流向弥散泡状流的转换界限为 则 Davidson&Schu

38、ler 推荐对稳定的气泡直径可计算如下：对低粘液体：对高粘液体：对较高粘度液体的两相流，得间歇流向弥散泡状流的转换界限为：,3.4.3 垂直下降管中的流型及其转变,对垂直下降管中的流型转变，Crawford 和 Barnea都曾进行过研究。在 Crawford et al的研究中，他是将Weisman et al和Weisman&Kang的水平或上升管中两相流型的转换界限式进行了一些修正后用于下降流的流型预测，其试验介质为 Freon 113及其蒸汽，液相粘度也很低。Barnea在总结前人研究基础上提出了计算全范围（一90o90o）倾角的两相流流型转变的统一模型，但其主要试验基础也是低粘度的两

39、相流体。对高粘度液体两相流的流型转变预测是否合适，都有待验证。,向环状流的转变向弥散泡状流的转变分离流间歇流转变,Crawford et al 对下降流的流型转变预测,泡状流间歇流转变式中 液相单独流过管道时单位长度的压降绝对值，；气相Froude数，；气相Kutta准则数，；流动方向于水平线的夹角，向上流动时为正。,压力的影响：影响物性密度、粘度等温度的影响：影响密度、粘度、表面张力等两相流量的影响,3.5 气液两相流流型的影响因素,（4）流动方向：垂直向下、上，水平和倾斜流动等。（5）管路几何尺寸和形状 大管径不同于小管径（1979年Tulsa大学的James.Brill等对305mm,4

40、06mm管径进行了研究已证明这一点），这是因为管内粗糙度以及湿润特性在大小管径中的影响不一样（即壁面对流动的影响不一样）。圆管、非圆管（矩形环形通道等）以及管束中的流型也不相同。,（6）热负荷 q 的影响。（7）进口段长度。两相流很大程度上是非充分发展的，因其本身 高度的湍动，因此进口影响不易恢复。（8）两相混合方式。,流型识别方法还不完善 现在已发展了不少流型识别的仪器和手段，但是，由于两相流动的复杂性和多样性，对流型的识别还存在着很大的主观性和随机性，尤其是在流型转变界限附近。流型的分类还不统一 流型识别上的不完善，造成了流型间概念上的模糊以及流型分类上的不统一和多样化。反映在流型图上也就

41、使得相互间的可比性和通用性较差。因此建立完善的流型识别方法，统一和规范流型分类是相辅相成的，也是至关重要的。,3.6 流型研究中存在的问题3.6.1 流型识别和流型图,流型图的研究要建立一张通用性好的流型图，就要在流型图上能尽量纳入更多的物性参数、管路布置状况及管路几何尺寸的影响因素。许多研究者各自建立了不同坐标对的流型图。有的以质量流速或质量流率为坐标,有的以无量纲参数如Froude数等为坐标。目前被最广泛应用的还是由Mandhane et al.(1974)提出的以两相折算流速为坐标的流型图。但正如Lin Hanratty(1987a)中指出的那样，Mandhane流型图中没有计及管路尺寸

42、的影响。因此确定最合适的坐标参数，建立通用性良好的流型图仍是一个需解决的问题。,由于在流型的研究中试验数据的不全面，比如对垂直下降流和倾斜流动的研究还很少，而且对除水空气以外的其它工质，尤其是高粘度液体或非牛顿流体的两相流动，以及大直径管道中的两相流流型研究就更少，使得半经验半理论的流型转变机理缺少坚实的基础，适用范围也就受到限制。因而，进一步研究和完善流型转变机理也是今后仍应进行的工作。流型研究的目的就在于能够根据流型的特点更好地进行两相流流动特性和传热特性的计算。对依流型建立的两相流动和传热计算方法也进行了不少的工作，但是这些计算方法无论在计算精度还是适用范围上都不尽人意。满足工程精度需要

43、的预测促使人们进一步去完善不同流型下的计算模型以及建立全新的计算方法。,3.6.2 流型转变机理研究,在化工、核动力工程、热能工程等的实际应用中存在着各种各样的非圆形管道，如螺旋管结构，环形、矩形通道，管束等。管道结构的复杂性使得当气液两相在其中流动时，由于离心力、绕流等的作用，两相分布更加不均匀，因而其流动结构及流型间的转换也就大不同于圆管中的情形。所以说，如何正确地判别复杂管道中的流型及如何进行其相应流型下的两相流动和传热计算就是个有别于圆管流动的课题。由于复杂通道中两相流动的复杂性以及在测试观察上的困难等诸多因素的影响，使得这方面的工作还很欠缺。,3.6.3 复杂通道中的流型研究,段塞流

44、会引起大的压力脉动，流量的不稳定性，因而造成管系的振动破坏。而且由于其截面含气率随时间变化的周期性，也会造成壁温的周期性变化。在两相流流型中，段塞流是最引人注目的。对段塞流的特性研究通常是假设段塞流是由一系列具有平均长度、相同流动特性的段塞流单元组成（液弹段和Taylor气泡段）。而实际上段塞流单元长度并不是均匀分布的，而是沿平均值高度分散的。定长假设及经验关联式的存在无疑造成了较大的误差和应用上的限制，因此对段塞流的流动特性，如段塞流单元长度分布规律、段塞流的频率、液弹持液率、Taylor气泡速度等都应当进行仔细地研究，以便建立起更精确的段塞流计算模型。另外，由于海底油气开采中管路布置的特点

45、，使得段塞流在起伏管线中的研究日益突出。但是这方面的研究还只刚刚起步，对段塞流在其中的成长、消失过程及其特性参数的规律还只是定性的分析，还有待进一步发展。,3.6.4 段塞流的研究,在实际运行工况中，工程上的大多数管道都是处于非绝热状态下，或为受热管，或为散热管，而目前所进行的流型研究大多数是在绝热工况或假设为绝热工况的条件下进行的。进行非绝热工况下的两相流流型及其特性研究更具有实用意义。但在非绝热状工况下，如何考虑热负荷因素的影响，如何反映在流型图上，以及在流型转变中热负荷因素对机理的影响如何，如何在两相流流动特性计算中合理地考虑热负荷因素都是有待进一步研究的课题。,3.6.5 热态条件下的

46、流型研究,瞬态流动过程就是指流动的时间依变特性。比如，研究在管路启停、开关阀门或通球（油气混输中通球清液）后的管路两相流流型、压力、流量、持液率等的时间变化特性。目前在两相流瞬态模拟中进行的研究最为突出的有：核反应堆动态程序、和（研究动态空泡份额、压降特性以及流型）；两相混输程序。采用动态的双流体模型仔细研究了两相流动过程中的流型转变、压降特性、持液率等的变化特性（它对流型的识别和流型转变界限不再依靠具有很大主观性的前述传统方法，而是抓住流型的特征，通过匹配一系列关联微分方程组求得不同流型的特征量，如湿周长度、脉动频率、持液率等，然后根据特征量值的大小来决定流型及其转变。因而更具有理论基础，更加可靠，而且用这种方法也避免了建立流型图过程中的种种问题（如坐标选取）。因此是一种具有广阔前景的方法。）目前在瞬态两相流及传热上的研究还存在着许多问题，比如目前的计算模型基本上是一维的，而实际两相流动过程中的更多情况则是二维或三维的。因此随着计算机及计算技术的发展，建立更精确的二维或三维的两相流动模型，研究流型转变过程中的代表性特征量及其转变界限值，匹配更精确的流动传热模型等都是工程技术人员应努力解决的问题。,3.6.6 瞬态流动过程中的流型,谢 谢,西安交通大学能源与动力工程学院,