气液多相流

气液多相流读书报告

引言

两相流这一术语在本世纪30年代首先出现于美国的一些研究生论文中，而直到1943年，在苏联才将此术语应用于正式出版的学术刊物上。所谓“相”，即是物体所处的状态，是任一系统中具有相同成分、相同物理、化学性质的均匀物质部分。相之间具有明显可分的界面，可以用物理方法分离。常分为气相、液相和固相三种相状态。有时将等离子体作为物质的第四种相态。仅有两种相态处于一个体系内的流动便称为两相流动，它是多相流动中一种最常见的流动组合。可以是一种物质的两个相态，也可以是两种物质的两个相态。因此，可以分为单组分两相流动和双组分两相流动。单组分两相流动是由同一种化学成分但不同的相态混合在一起的流动体系。例如水及其蒸汽构成的汽水两相流动体系。双组分两相流动是指化学成分不同的两种物质同处于一个体系内的两相流体流动，例如空气-水构成的气水两相流动体系。从广义上来说，某些双组分流动（主要指液体-液体流动）由彼此互不混合的一种相态构成，也常被称为两相流动，例如油水两相流动。在自然界中，两相流动是一种最普通的流动形态。沸腾液体的流动，大气中云层的移动，固体颗粒的气力输送，气流中液滴的携带，人体血液的循环流动等，只不过是两相流动的几个常见例子。在工业实践中，在蒸汽锅炉、核反应堆、蒸馏塔、蒸汽发生器、冷凝器、热管、沸腾床等设备上，更将普遍遇到两相流动和热交换问题。因此，只研究单相介质的流动越来越不能满足工程和各方面的需求，必须同时对两相流动及传热，特别是对气液两相流动进行分析和讨论。

气液两相流的研究是随着工业技术的需要而发展起来的，它的宏观运动规律以及它与其他运动形态之间的相互作用是两相流体力学的主要研究内容之一。特别是20世纪40年代后，由于动力工程、化学工程、石化工程、原子能工程、航天工程以及环境保护工程的兴起和发展，气液两相流的研究日益得到重视，促使它形成为一门完整的应用基础学科[1]。简而言之，气液两相流属流体力学的研究范畴之一，流体力学的基本方程也适合于气液两相流。但由于在气液两相流中，存在气液两相间的相互作用，因此两相流动问题较单相流动问题要复杂得多，两者间在本质特征上也有较大的不同。气液两相流体系的复杂多变量随机过程就是显著区别于单相流的特点之一。近二十年，多相流动过程中各种流动参数的测量、相互影响和相互作用，以及通过系统参数的动力学特性预测多相流流型变化规律，对流动不稳定性的研究，已经成为多相流科学的重要研究内容。作为流体力学、传热学、工程热力学相互耦合、交叉的与各种实际工程问题密切相关的重要学科领域，它对流动和传热的不稳定性、波动、输送系统的设计、完全运行和在线检测，都具有十分重要的学科价值和实用意义。

研究现状

目前在研究和应用中的气液两相流大多数是管内流动，在气液两相流动过程中，由于气液两相均可变形，两相界面将不断变化，从而两相介质的分布状态也不断改变，所以流型极为复杂。同时，流型还与管道尺寸、管截面形状、管道角度、管道加热状态、所处的重力场、介质的表面张力、壁面及相界面间的剪切应力等因素有密切关系。因此，流型的种类是相当复杂繁多的。这使得不同的研究者，从不同角度对流型进行研究时，会给出流型的不同定义和划分。主要将流型划分为八种：气泡流、栓状流、分层流、波状流、弹状流、环状流、混状流、液丝环状流。近几年来，有些学者如Barnea等[2]提出了从多相流中的流动介质的连续性出发进行流型的划分。即将介质的形态分别分为连续的、间断的和离散的。由于这种流型划分方法一方面考虑介质的连续性，便于将两相流问题与比较成熟的单相流流体力学相联系，另一方面又能将各种不同的流型归纳为较少的几种模式，相互之间有比较明确的区别特征，简化了理论研究的对象，从而便于气液两相流的研究和应用。

现在，仍有研究人员从事传统气液两相流流型识别方法的研究工作。如Kokal等[3]对油气两相流在倾斜管内的流型进行了深入的研究，将实验所得的数据与Taitel和Dulker所绘制的流行图进行了比较，并利用实验数据对原有的半经验半理论流型转变准则进行了验证，提出了改进后的准则。Ewing等[4]利用摄像技术记录水平管中的气液两相流流型变化情况并与Breber提出的流型图进行了对比，对原有流型图数据加以扩充，扩大了原有流型图的适用范围。从而以简化的两相流体模型为基础并采用一系列经验或理论关系式封闭方程，计算得到界面浓度与含气率、干度的关系，并以此识别流型。Kalkach-Navarro等[5]发展了描述气泡串形成于破碎的广义两相流体模型，对含气率和压力波进行了稳定性计算与分析，从而进行两相流流型的判别。周云龙等[6]对螺旋管和倾斜下降管内气液两相流截面含气率变化规律进行了研究，得出了计算螺旋管内主要流型平均截面含气率的经验关系式及计算倾斜下降管气液分层流截面含气率的理论模型，为螺旋管及倾斜下降管内的气液两相流流型识别提供了理论基础。对气液两相流压差波动信号的分形插值非线性数据拟合与重构方法进行了探索研究，利用分形插值方法对两相流机理做出了新的分析，并据此给出了一种改进以往两相流压力降数据经验关联式的新方法。虽然传统的气液两相流流型识别方法研究有了很大的进展，但是其自身固有的缺点使得它很难满足实际工业生产的需要，因此流型的在线、客观识别技术引起了研究人员更大的兴趣。起初，这类研究多采用气液两相流流动压差、压力等波动参数信号的统计特征量作为流型识别的特征量。在文中提到截面含气率也作为气— 液两相流中一个非常重要的基本参数，它在很大程度上影响着两相流的流动特性及传热特性。多年来世界各国的研究者均对此进行了广泛的理论和实验研究，也提出了不少的理论模型。其中最典型的模型是一维一速度模型即均相模型，该模型中，没有考虑两相间的相对速度，

也没有考虑含气率及流速沿截面分布规律，具有很大的误差。Bankoff提出了一维一速度模型，Wallis提出了一维二速度模型，与一维一速度模型相比有了进步，但仍不完善，在很多情况下会导致较大的误差。文献中提出了一种新的二维二速度模型，其实质是对二维一速度模型的改进，它不仅考虑了含气率及流速沿流通截面的分布情况，而且也考虑了两相间的相对速度。

在大容器中的两相流研究方面，由于在各种工业换热器、液体输送管道、化学反应器、空分及石油精馏塔及核反应堆中，都存在着气液两相流，因此有关气液两相流的各种参数如：温度、压力、流速、流量、空泡率、气泡直径大小、分布和运动状况以及它们的变化都会影响到传热、传质和化学反应与换热状况。对于低温换热器、低温液体输送管道、空分精馏塔，则直接关系到换热器的效率、管道的损失以及精馏塔的分离效率等。

对于气液两相流流动情况,在数值计算方面,也有许多人进行了这方面的研究。在多相流的数值模拟方法主要有两类：一是欧拉-拉氏模型(Euler-Lagrange approach)，二是欧拉-欧拉模型(Euler-Eulerapproach)即所谓的双流体模型。欧拉-拉氏模型即离散相模型将流体相作为连续相并通过Navier-Stokes方程求解，占据一定容积份额的离散相(固体颗粒或气泡)只是作为稀相(容积份额在20%范围内)浸没于连续相中，离散相与连续相间可以存在动量、热量和质量传递，离散相轨迹通过积分颗粒或气泡的力平衡方程得到，而不需在整个计算区域上求解其N-S方称。欧拉-欧拉模型(双流体模型)假定不同相之间互相渗透，每一相的容积份额在空间和时间上都是连续的，并满足各自的守衡方程，相与相之间的相互关系通过经验关系式得到。针对气液两相流动过程中的气相对液相的影响，建立了多种的模型。在文献[7]提到近十年来，国外LopezDeBertodano 等、Minato等、Pfleger等和国内如天津大学化工系刘辉等运用双流体模型并补充不同的湍流模型和结构关系式建立了封闭的本构方程组，应用到垂直管道湍流泡状流的预测方面,都取得了不同程度的成功，但在他们的模拟中都假设气泡保持平均直径不变。气泡直径对垂直管道湍流泡状流中气泡的受力是一个很重要的因素，它直接影响气泡所受的阻力以及其他作用力，从而影响到相含率以及各相速度场的分布。ASHRAE(美国采暖，制冷与空调工程师学会)的Gang Li和Steven Franke研究制冷剂分配的CFD模型，并将其应用于设计改进。首先，他们用商用CFD编码中不同的两相模型方法的预测结果与文献中用空气和水做工质的两相流分配的实验结果做比较。VOF(流体体积模型)和ASM(代数滑移混合模型)不能有效预测实验数据，而IPSA(相间滑移代数模型)的预测在所有工况下都与测量值吻合很好。然而，对典型制冷剂分配器几何和运行工况设置，用不同的模型方法对两相分配和分离的预测结果十分相似。因此，ASM适用于研究制冷剂分配器设计和评估现有和改进设计的性能。进而用实验和CFD方法研究制冷剂分配器的改进。得出结论：一般，与其他形状相比，使用球形分配器底部更好，孔口位置应靠近分配器底部。这些改进可提高分配器特性，对不同的孔口或分配器位置提供出口分支管的均匀流动和

相分配。

近年来，出现了利用混沌理论、小波理论、信息理论和软测量技术识别气液两相流流型的新方法。Y.Cai等[8]提出利用混沌理论计算气液两相流压力波动信号的分形维数、自相关函数、Lyapunov指数和准相平面轨迹等特征量，并以上述特征量识别流型，指出利用相关维数识别流型是一种有潜力的流型识别方法。由于混沌理论、小波理论、信息理论和软测量技术自身尚存在许多问题需要解决。因此这些理论在气液两相流流型识别中的运用仍处于探索阶段。

Joseph Kestin等[9]基于均相流模型，采用几何拓扑方法，分析了气液混合物在缩放喷嘴中的绝热流动过程，进而得到其在相空间的运动轨迹。研究发现，特征矩阵△=0时有可能产生激波，其临界截面位于喷嘴的渐扩段，且随着背压的不同，位置稍有不同，但该截面后的质量流量仍保持不变。与等截面管道不同之处在于缩放喷嘴迹线上△=0的转折点所对应的流动在现实中并不一定可行，除非喷嘴被消减一部分，使得激波在出口处发生。同年，他们又针对单组份两相流体的一维绝热流动，建立了双流体模型，并用几何拓扑分析方法对相空间中的常规点、转折点、奇点的划分进行了讨论。研究结果表明，在一般情况下，缩放流道中的临界截面位于渐扩段，其确切位置不仅与流道截面形状有关，还与入口参数有关。

Masahiro等[10]用实验的方法研究单相水和气水两相流在水平引入四垂直分支管联箱的分配特性。研究发现：当联箱入口的雷诺数小时，分支管中分配不均，即使在单相工况时，此特性是由于分配系统的流动不稳定性。联箱有少量气泡夹带时，第一根分支管的液体分配剧增，其他分支管减少。随联箱入口的气体流量增加，第一根分支管的流量逐渐达到最大值并开始减少。当联箱有少量气体夹带时，联箱需要有足够的水保证能达到所有分支管。在单相流中，足够的入口管长度可保证均匀分配；但当联箱有少量气泡夹带时，会导致分配不均。将单相流预测模型外推至夹带少量气泡的流动，假设联箱中气泡完全被引入第一根分支管，模型预测与实验结果吻合较好。随气体速度的增加，分配到第一根分支管的流量减少，其它分支管流量增加。

Kim等[11]等采用多种数学工具来分析压力脉动信号，有均值、脉动区间、标准差、主频、概率密度、偏斜度、平坦度等方法。系统讨论了流化床从鼓泡流态化向湍动流态化过渡的判据，用随机信号的偏斜度和平坦度，即三阶和四阶中心矩作为分析方法，这在有关文献中比较少见。他们认为这几种方法处理的压力脉动信号都可以作为判断流化床从鼓泡流态化过渡的依据，所不同的只是哪个更明了一些。

Yerushalmi等[12]首先将压力波动应用于判断鼓泡流态化向湍流流态化的过渡。他发现随着气体流速的变化，压力脉动信号的幅值显著地指示了鼓泡流态化向湍动流态化的过渡；压力脉动幅值随着气体流速的增加达到最大，对应特征气速下流型开始向湍动流态化过渡；气速进一步增加时，脉动幅值开始下降，直至接近某一较低的常数值，此时流型完全进入湍动流。