43第三章--多相流及其测量方法

第三章多相流及其测量方法1第三章多相流及其测量方法一、了解多相流的概念二、熟悉工业中常见的两相及多相流的分类及特点三、了解多相流的基本特性参数四、熟悉水平管中两相流的主要流型五、了解两相流的主要参数测量方法主要内容如下：第三章多相流及其测量方法2物理学:自然界中物质的态，如固态、液态和气态；热力学：物体中每一个均匀部分，可以有固相、液相和气相，统称单相物体；动力学：动力学性质相近的一群物体，一种物态可能单相，也可能多相，通常是指具有相同成份和相同物理、化学性质的均匀物质部分，也应是物质的单一状态，如固态、液态和气态，各部分均匀的气体或液体流动可称为单相流；在多相流动的研究中通常称为固相、液相和气相。一般而言，各相间有明显可分的界面。多相流就是指必须同时考虑物质两相共存且具有明显可流动分界面的混合物流动力学关系的特殊流动问题。3.1多相流的概念1、相的概念2、多相流的引入单相流与多相流：在物理学中物质有固、液、气和等离子四态或四相，若不计电磁特性，也可把等离子相并入气相类。单相流：单相物质的流动称为单相流，两种混合均匀的气体或液体的流动也属于单相流。多相流：同时存在两种及两种以上相态的物质混合体流动就是两相或多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等来区分，即不同的化学组成、不同尺寸和不同形状的物质都可能归属不同的相。第三章多相流及其测量方法3在两相流研究中，把物质分为连续介质和离散介质。连续相或流体相：气体和液体属于连续介质分散相或颗粒相：固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质流体相和颗粒相组成的流动叫做两相流动。颗粒相可以是不同物态、不同化学组成，不同尺寸或不同形状的颗粒，有时也把这样的两相流称为多相流。3.1多相流及特性介绍两相流流动可以是同一方向流动的“同向流动”，也可能在相反方向的“反向流动”，及介乎两种流动之间的流动，如气液两相流中液相平均流速为零，或液相的平均速度与气相速度垂直的流动。第三章多相流及其测量方法43.2常见的多相流的分类及特点1、常见的两相及多相流（1）气液两相流；（2）气固两相流；（3）液固两相流；（4）液液两相流；（5）气液液、气液固和液液固多相流。第三章多相流及其测量方法5（1）气液两相流气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。它又分为单组分工质(如水-水蒸气的汽液两相流)：汽、液两相都具有相同的化学成分，汽液两相流在流动时根据压力和温度的变化会发生相变，即部分液体能汽化为蒸汽或部分蒸汽凝结成液体；双组分工质(如空气-水气液两相流)：两相各具有不同的化学成分，气液两相流一般在流动中不会发生相变。根据换热情况不同，可分为与外界无加热或冷却等热量交换绝热多相流或有热量交换的多相流。3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法6（2）气固两相流气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。自然界和工业过程中气固两相流比比皆是：空气中夹带灰粒与尘土、沙漠风沙、飞雪、冰雹，在动力、能源、冶金、建材、粮食加工和化工工业中广泛应用的气力输送、气流干燥、煤粉燃烧、石油的催化裂化、矿物的流态化焙烧、气力浮选、流态化等过程或技术。拟流体假设：严格地说，固体颗粒没有流动性，不能作流体处理。但当流体中存在大量固体小粒子流时，如果流体的流动速度足够大，这些固体粒子的特性与普通流体相类似，即可以认为这些固体颗粒为拟流体，在适当的条件下当作流体流动来处理。在流体力学中，尽管流体分子间有间隙，但人们总是把流体看着是充满整个空间没有间隙的连续介质。由于两相流动研究的不是单个颗粒的运动特性，而是大量颗粒的统计平均特性，虽然颗粒的数密度(单位混合物体积中的颗粒数)比单位体积中流体分子数少得多(在标准状态下，每cm3体积中气体分子数为2.7×1019个)，但当悬浮颗粒较多时，人们仍可设想离散分布于流体中颗粒是充满整个空间而没有间隙的流体。3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法7引入拟流体假设后，气固两相流动就如同两种流体混合物的流动，可以用流体力学、热力学的方法来处理的问题，使两相流动的研究大为简化。但拟流体并不是真正的流体，颗粒与气体分子之间、两相流与连续介质流之间存在许多差异，因此使用拟流体假设时要特别注意适用条件：（1）气体分子与悬浮颗粒主要差异在于气体分子之间有很强的相互作用，而颗粒间的相互作用很弱；（2）气体的v，其T；v时，其T，悬浮于气体中的颗粒只能在气体粘性力作用才能运动，而颗粒T不随颗粒v变化；（3）气体分子热运动能贡献压强，但颗粒布朗运动所贡献压强非常微小；（4）气体中扰动通过压强波（分子间相互作用）传播，而颗粒中扰动只能沿着颗粒轨线传播；（5）气体能膨胀、压缩，其比热可分为定压比热和定容比热，但固体颗粒只有一个比热；处理颗粒相运动时，某些方面把其看作流体一样，但另一些方面则必须考虑颗粒相本身的特点。3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法8根据拟流体假设，颗粒相的密度可以和连续介质的密度一样定义：对于气体，为了得到统计平均值波动小于1%，极限容积中应包含104个气体分子。标准状态下包含104个气体分子的容积是0.1um3。对于实际工程应用，这个尺寸比气体流动系统的特征尺寸小得多，可以把这个容积看成一个点，因此气体可以看成是连续介质。对于两相流，以悬浮于空气中煤粉颗粒为例，气固比为1时包含104个颗粒的立方体的边长与颗粒直径之比为102，如果煤粉颗粒直径为100um，则立方体的边长为1cm，这个容积比标准状态下的气体极限容积大得多。但如果流动系统特征尺寸远大于这个尺寸，仍可把该容积看成一个点，及把颗粒视为连续介质。3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法9在气体动力学中，通常认为/S0.01时，连续性假设才使用（其中为气体分子平均自由行程，S为流动系统的特征尺寸，在两相流动中，由于颗粒的布朗运动较弱，可以认为L/S0.01，其中L为颗粒质心间的距离。例：管道输送煤粉，已知颗粒间距为10-3m,试求拟流体假设成立的最小管道直径。解：取管道直径为流体系统的特征尺寸，则拟流体假设成立的最小管道直径D为：D=L/0.01=10-3/0.01=0.1m3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法10固相颗粒尺寸、形状及分布是颗粒相的重要物理特性参数颗粒形状及尺寸与颗粒形成关系密切：结晶形成的颗粒，有各种结晶形状；粉碎形成颗粒基本保持结晶形状；由雾化产生的1mm以下的玻璃颗粒及小液滴由于表面张力作用，基本呈球形；当重力影响大时，悬浮液滴趋于最小阻力形状。颗粒尺寸的统计分布：按粒径的颗粒数分布密度按粒径的颗粒质量分布密度颗粒相尺寸呈正态分布颗粒相的平均尺寸表示方式：线性平均粒径表面积平均粒径体积表面积平均粒径质量平均粒径3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法11(3)液固两相流液体和固体颗粒混合在一些共同流动称液固两相流。自然界和工业中的典型实例有夹带泥沙奔流的江河海水，动力、化工、采矿、建筑等工业工程中广泛使用的水力输送，矿浆、纸浆、泥浆、胶浆等浆液流动等。其它像火电厂锅炉的水力除渣管道中的水渣混合物流动，污水处理与排放中的污水管道流动等也属于液固两相流范畴。(4)液液两相流两种互不相溶的液体混合在一起的流动称液液两相流。油田开采与地面运输、分离、排污中的油水两相流，化工过程中的乳浊液流动、物质提纯和萃取过程中大量的液液混合物流动均是液液两相流的工程实例。（5）气液液、气液固和液液固多相流气体、液体和固体颗粒混合在一起的流动称气液固三相流；气体与两种不能均匀混合、互不相溶的液体混合物在一起的共同流动称为气液液三相流；两种不能均匀混合、互不相溶的液体与固体颗粒混合在一起的共同流动称为液液固三相流。在油田油井及井口内的原油－水－气－砂粒的三种以上相态物质的混合物流动，油品加氢和淤浆反应器以及化学合成和生化反应器中的悬浮床等均存在气液固、液液固、气液液等各种多相流。3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法123、两相流动力学的发展简史两相流现象不论是在自然界还是生产实践中都到处存在。两相流动力学20世纪60年代开始迅速发展，并在80~90年代才逐渐形成的一个新的学科分支，可是同两相流有关的问题很早以前人类就在生产和生活中遇到，并提出了各种解决办法，积累了许多经验。18世纪中叶Watt(瓦特)发明蒸汽机以来，由于缺乏气液两相流与传热方面的知识曾经发生过不少工业事故，如早先一些蒸汽轮船和蒸汽机车的锅炉爆炸事件促使人们去研究锅炉内的水循环和传热问题。1877年Bomsinese已经较系统地研究明渠水流中泥沙的沉降和输运。19世纪末和20世纪初，已有一些论文论述了船用锅炉中的水循环与传热特性，有的还论及了气液两相流体流动时发生的脉动问题。1910年Mallock研究过声波在泡沫液体中传播时强度的衰减。1920~1940年间，发表了有关气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流动问题的经典性研究论文。但许多经验和研究成果都分散在各个生产部门，交流不多。20世纪40年代以后有意识地总结归纳所遇到的各种现象和规律，用两相流的统一观点系统地加以分析研究。两相流的名词(two-phaseflow)在1949年已见诸文献。3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法1350年代后，随着动力工业中高温高压高参数的引入和宇航工业及商用核电站的发展，大量有关气液两相流与传热的研究论文开始出现，有关两相流边界层、声波在两相混合介质中的传播、空化理论、流态化技术、喷管流动等方面的研究论文也显著增加。1948~1949年IAckhart(洛克哈特)和Matinelli(马丁内里)等人先后提出气液两相流摩擦阻力计算的Lockhart-Martinelli参数及经验方法。1954年Baker(贝克)提出了气液两相流的第一张流型图。1956年Ingebo(英格勃)研究了颗粒群阻力系数与单颗粒阻力系数的差别，总结出描述颗粒群阻力系数的经验公式。1961年Streeter(史德瑞特)主编的《流体动力学手册》用专门一节介绍两相流。20世纪60年代以后，越来越多的学者从不同角度探索了描述两相流运动规律的基本方程。早期的工作有Marble(1963年)、Murray(1965年)、Panton(1968年)等。有关两相流及其传热、测量等方面的专著也在60年代后陆续出版，如Tong(1965年)，Yih(1965年)，Soo(1967年)，Bergles(1969年)，Wallis(1969年)、Hewitt(1970年)、Collier(1972年)、Ishii(1975年)、Hsu(1976年)、Pai(1977年)、Butterworth(1977年)、Lahey(1977年)、Hewitt(1978年)、Rudinger(1980年)、Veziroglu(1980年)、Bergles(1981年)、Azbel(1981年)、Hetsroni(1982年)、Chisholm(1983年)等。国际多相流杂志(Int-IMultiphaseFlow)也于1974年创刊，1982年出版了首部《多相流手册》(HandbookofMultiphaseSystem)。20世纪80年代以来国内也陆续出版了一些有关两相流研究的教材和专著，如陈之航等(1981年)，陈学俊等(1985年，1989年，1991年，1993年，1995年，1999年)，林宗虎(1987年，1988年，1992年)，张远君等(1987年)，方丁西(1988年)、周强泰(1990年)、李海青等(1991年)、吕砚山(1992年)、刘大有(1993年)等。3.2常见的多相流的分类及特点第三章多相流及其测量方法144、两相流的研究方法和理论模型理论上来讲，流体力学的基本方程是可以用于多相流的。但是，在多相流中，一般应对各相列出各自的守恒方程，而且还要考虑两相间的相互作用，因此