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1、 题 目: 水平管内气液两相流流型研究综述摘要：气液两相流的研究对工业技术很大的意义，流行的确定与研究对进一步揭示两相流的一些基本规律，深入研究流动和传热特性，推动两相流的发展和研究。阐述国内外两相流流型的研究状况，主要对水平管内两相流型（分层流、段塞流、弹状流、环状流和分散泡状流）作综述，所采用的试验方法，各流型的形成以及相互转换的机理。关键词：两相流流型 水平管 流型形成 流型转换Abstract: The gas-liquid two-phase flow of great significance for industrial technology, to determine the
2、prevalence and research further reveals some of the basic rules of two-phase flow, in-depth study of flow and heat transfer characteristics, and promote the development and study of two-phase flow. Elaborate flow pattern study abroad situation, the main type of two-phase flow in horizontal pipe (str
3、atified flow, slug flow, slug flow, annular flow and dispersed bubble flow) for review, the test method used , and the flow pattern is formed in the conversion mechanism.Keywords:Two-phase flow patterns horizontal pipe flow pattern forming flow pattern Conversion一、前言气液两相流的研究，是随着工业技术需要发展起来的，特别是上世纪40年
4、代，由于动力工程、化学工程、石化工程、原子能工程、航天工程及环境工程的兴起，气液两相流研究日益受到重视，促使其形成一门完整的应用基础学科。在气液两相流中，由于存在两相间相互作用，使相交界面易于变形，构成不同组合相界面，不同界面又构成不同流型，不同流型有不同流动和传热特性，在实际两相流系统的热工水力计算中，依据流型建立流动与传热计算公式，因此，两相流流型研究是两相流动和计算的基本依据。气液两相流是气(汽)液两相组合在一起共同流动，包括气相、液相、气液界面三部分。气相易于压缩，使界面变化与组合复杂多变。在气液、气固、液固、液液四种两相组合中，气液两相流动最为复杂，对气液两相流研究能促进两相流学科其
5、他问题的分析研究。由于流型变化会使两相流界面重新分配，使气液两相流动机理和传热机理发生变化，引起流动阻力和传热量变化，所以流型确定与研究，能进一步揭示两相流动一些基本规律，能够深入研究流动与传热特性，进而推动两相流的发展和研究。二、国内外研究现状和发展动态目前研究和应用中涉及的气液两相流大多数是管内流动。两相流发展至今仍然以实验为主，研究方法分为两类:一类是实验关系式法，将实验数据以一定方式关联成经验关系式，然后由内差或外推应用于实践;另一种方法是机理建模方法，根据两相流动本质特征划分流型，针对特定流型建立数学模型，利用实验方法建立结构方程式使方程封闭，然后建立模型解决实际问题。后者能够考虑更
6、多的因素，能确切反映实际情况，被普遍采用。另外如何根据流动状态确定流型及如何实时利用流动状态确定流型也是流型研究和工程应用中需要迫切解决的问题。 气液两相流流型的实验研究是多相流流态机理研究的重要内容。国内外的学者做了大量的实验研究工作，一般采用的方法是先建立一个由透明有机玻璃管构成的实验段，然后通过目视对流动状态进行观察，并根据流道内气液两相混合的流态和流动特性等典型特征来定义各种流型，同时研究总结两相流动的基本规律及各种流态的形成动力学条件和转换规律，最后根据流型分布和流型转换边界绘制流型图。流型研究主要内容为:1)通过对流动深入细致观察，依据特征对两相流流型进行定义和分类;2)在实验数据
7、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，弄清流动和几何环境各参数对其影响大小和趋向;3)弄清各种流型形成及相互间转换的机理，加深对两相流的本质认识;4)进一步研制、改善和发展适应范围广、准确可靠、简单方便、易于制造和操作的测量技术。三、水平管内油气两相流型本文参考文献水平直圆管内油气两相流的压降，在实验研究的基础上，通过对实验数据的分析和整理，将水平以及近水平管内油气两相流流型分成:分层流(包括平滑分层流和波状分层流)、段塞流、弹状流、环状流和分散泡状流。下图是水平以及近水平管内油气两相流的流型结构图。不同折算液速下
8、的油气两相流的压降随着折算气速的变化规律.在段塞流区域，随着气量的增加，两相流的压降的增加比较缓慢，而弹状流区域，随着气量的增加，油气两相流的压降增长较快。1、分散泡状流气相以小的气泡形式分散在连续的液相里，由于浮力作用，气泡趋于在管道的顶部分布。理想泡状流动发生在气流量低，而液相流量高时。参考文献中的实验观察到气流量低时，从塞状流过渡到泡状流时，塞状流中原有的大气泡被分成若干个相对小的气泡，;再进一步提高水流量，原有的大气泡破裂，分成大小不一的小气泡，这时气泡分布不均匀;再提高水流量，气泡趋于均匀分布在管道上半部分。2、分层流分层流又细分为光滑分层流和波状分层流。在低流量时，重力使两相完全分
9、离，两相界面光滑，密度低的气相在管道的上部流动，液相在管道的底部流动，随着气流量的增加，气液交界面呈现波浪状，进入波状分层流。 在一定的气流量时，随水流量增加，分层流液位高度会逐渐增加，分层流实验，对管道水平度要求高，尤其对小管径管，特别明显。在低流量时形成分层流;当分层流的液位高度超过管半径以后，管中的两相流对管子水平度的敏感度较高。对于气流量的大小，波状分层流要高于光滑分层流，固定气流量，增加水流量，分层流液位高度逐渐增加，到某一临界值(液位高与管内径之比约为0. 85)时，液面出现轻微扰动，流动从分层流转变为波状分层流。3、间歇流 间歇流又可细分为塞状流、弹状流和弹状流一环状流。当液位达
10、到一定值，分层流开始变得不稳定，液面很难保持水平，在管入口处形成扰动，波动的液面最终就会碰到管道顶部形成一段长水柱(简称为液弹)，间歇地阻塞管道，在气流量低时，把这种流型定义为塞状流。塞状流气泡一般比较长，Mandhane等人，把这种流动定义为elong bubble flow,气泡位于管上部，被连续的液相推动快速前进。在气流量高时，带小液滴的气弹和含有分散小气泡的液弹在管道内交替流动，其中气相在管道的上部高速运动，底部是波动的液相，这种流型被认为是弹状流，。气流量进一步增加，液相只能瞬间与管道接触，不能形成连续的液弹，这种流动很不稳定，在气相流量很高时，瞬间形成的液桥含气率特别高，观察到管壁
11、上有液膜存在，本实验把这种流型定义为弹状流环状流转换(又有称为准弹状流)。塞状流流型出现时，所需的气流量最低，压降也很低，弹状流次之，弹状流一环状流最高，说明各相的流速大小对流型的分配有很大的影响。其中弹状流一环状流的压差波动曲线很不规则，大的波峰之间又存在小的波动，而且随着气相折算流速的增加，波动的幅值也在增加。1)塞状流 通常认为塞状流型是液弹内部不含有离散的气泡的间歇流型的一种极限情况，气泡头部呈圆形，尾部呈梯形，随流量增加，尾部逐渐缩短，直至消失。在流动中，尾部发生剪切变形，不断有小气泡脱离，进入后面液弹，小气泡不断往后漂移进入后面的气泡。2)弹状流 弹状流是一系列液弹和气弹间歇交替流
12、动，气弹在流动中必然受到液弹作用，气弹形状发生改变。3)环状流 液相以环状液膜形式在管道周围连续平稳的流动，快速流动气流在管道中部，气流中往往携带大量弥散细小液滴。液膜在重力作用下，分布不均匀，流道底部液膜厚度要比顶部厚。这种流型在气体流量比较高时出现。四、水平管内两相流流型试验气液两相流试验系统流程图1.压缩机2.气嘴3.二通4.阀门5.气体缓冲罐6.气体流量计7.压力表8.工件9.蓄气罐 10.液体压力表11.储水罐12.气体缓冲罐在试验中发现，随着气相和液相流速的增加，管内流型也在变化。当气相折算速度和液相折算速度都很低时，在管内形成的是气相在上、液相在下的分层流。当气相流量固定，液相流
13、量增加时，在气液界面上出现波状流型。随着相流量的增加，界面波动也随之加强，触及管顶部问歇形成液桥。当气相流速较低时，气相流动是稳定的拉长气泡在管顶部流动，此流型为塞状流。当气相流速较高时，液桥里含有很多气泡，形成弹状流。当气相流速低而液相流速高时，就会形成泡状流;反之则形成环状流。五、水平管流型转换机理1、分层流或泡状流到弹状流的转换目前，由分层流作为出发点研究间歇流起始点，表明是由下面的三个机理之一决定的:(1) Kelvin-Helmholze不稳定原理引起的分层流动不稳定;(2)粘性长波理论;液弹的稳定性理论。(1)和(2)说明分层流动不稳定是液弹出现所必需的，只有(3)中出现稳定的液弹
14、，才能满足流型发生转换。2、塞状流和弹状流间转换 对于水平流动，塞状流和弹状流主要从气弹形状上区分，严格上将两者的界限不是很清晰，气流量低时，液弹尾部消失，水跃部分直接跟管上壁接触，液弹前端(头部)开始有小携带的气泡，从现象观察上来定义塞状流和弹状流转换。3、弹状流或分层流到环状流的转换 研究弹状流或分层流到环状流的转换机理一般从液膜的形成机理及影响液膜稳定性的因素出发：(1)弹状流和环状流间转换 观察到气流量增加时，液弹形成不连续，中间间隔滚动波，这些大波在流动可能破碎形成准弹状流或再合并更大的波形成弹状流。波的破碎或合并取决于合并出现时液弹内液体量能否在快速移动的过程中维持住。(2)分层流
15、到环状流间转换 当液相流量很低时，气相流速很高，气相和液相界面很难保持分层流时的水平状态，而是呈弧形，管顶部能够看到大的水滴出现，这时液流量不足，不能形成环状流，进一步提高液相流量，壁面形成很薄的周向向前划移，缓慢增加水流量，液膜厚度增加，液膜出现到环状流转换是由携带和沉积机理决定的;当液流量高时，转换是由扰动波引起的，起始环状流是由小振幅的波变得不稳定，波在流动过程中，要发生合并形成更大的波，大振幅的波增长接触到管顶部形成的，如果波形成是间歇的，液体只能由波间歇的输运到管壁，这与Govier等提出的波动及其发展机理很一致。4、 弹状流到分散泡状流转换 半理论模型推测液相紊流力大于浮力时就会发
16、生到分散泡状流转换，表明泡状流出现在液流量高时。5、光滑分层流到波状分层流转换分层流发生在流量很低时，因此，光滑分层流到波状分层流转换可直观从气液界面变化来区分，通常根据界面是否有波形来判断:光滑分层流气液界面是水平的，而波状分层气液界面类似波浪型。六、流型研究展望 流型研究及流型图一直是两相流动中一个基础问题，目前工程上的大量气液两相流计算不考虑流型影响，结果误差均较大，相应根据流型建立两相流计算式可以提高计算精度，所以流型和流型图研究是具有现实意义的。至今建立流型图大多是在绝热常压情况下得出的，应用时不能超出该流型图实验范围，目前存在下列问题:1)通用流型图大多采用二维坐标，主要是由气相和
17、液相等几个参数决定的，忽略其它影响因素，使得流型图确定流型的可靠性受到影响，尤其在流型转换区域特别明显;2)大部分流型图所依据的实验数据来源于空气一水流动，流型图适用范围有限;3)不同研究者得出流型图多数不一致，存在很大差异，表明对流型形成机理的研究处于经验阶段，把所有的流型统一到一个流型图是不可能的。 至今在气液两相流方面，多数是重力条件下的气体和牛顿液体(空气-水)的两相流流型和流型图，特别在水平和垂直上升管流型和流型图方面研究较完善。目前流型图研究仍然是针对特定流动条件和介质进行的，但设计条件范围和介质种类扩宽了，如特殊结构管道、微重力环境、非牛顿流体等。由于气液两相流在宇宙飞船的设计和
18、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 (1995) 0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.Collin和Bousman (1995 ) 60-00，研究了管径、液体粘性和表面。从简化两相流动中各种不同因素间相互作用及流动特征，如在微重力条件下，重力影响基本消失，气液两相流流型较常重力简化，大大促进了气液两相流流动特征及流型产生机理的研究:另一方面对不同尺度或不同介质多相流进
19、行研究，在一定条存下获得流型关联无量纲准则数意味实验研究的简化和理论突破。参考文献1陈学俊，陈立勋，周芳德.气液两相流与传热基础M.北京:科技出版社，1995.2郭烈锦，高晖.国际多相流动的研究方向J.国际学术动态.2001, 3 54-55页 3郭烈锦编著.两相与多相流动力学M.西安:西安交通大学出版社，20024张鸣远，陈学俊.螺旋管内气水两相流流型转换的研究J.核科学与工程，19835赵建福.微重力条件气/液两相流流型的研究进展J.力学进展.1999,6刘磊，周芳德，李会雄.两相流中密度波现象的研究进展J.力学进展，1998，28(1)7周立加，杨瑞昌.垂直上升管内气液两相流流型鉴别研究J.工程物理学报，2005，5.8刘文红，郭烈锦.水平直圆管内油气两相流的压降J.化工学报，2004，69陈如艳，仇性启.水平管内气液两相流研究J.石油化工设备，2007，1110郑源，刘德有.有压输水管道系统气液两相流瞬变流研究J.河海大学学报，2002.1111李修伦，刘绍从.气液固三相流化床沸腾传热的研究J.化工学报，1993,4
