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1940-1950年期间,不禁对双组份气液两相流的流动阻力等问题进行了研究,而且还将研究工作深入到具有热交换的单组份气液两相流领域。
气液两相流和传热学科的形成和发展是和工程技术的进展密切相关的。
气液两相流的基本参数-P18
第二章气液两相流的流型和流型图
气液两相流体在水平管中流动时的流型种类比垂直管多,这主要是由于重力的影响使两相有分开流动的倾向造成的。
本书介绍了两相流体在水平、垂直、倾斜、U型管、螺旋管、垂直上升狭槽、水平管束、孔板和文丘里管(研究不充分)等中的流型及流型图。
气液逆流中的现象:
液泛和回流(对于反应堆的安全性研究有重要意义)
液泛:
在逆流接触的气-液反应器或传质分离设备中,气体从下往上流动。
当气体的流速增大至某一数值,液体被气体阻拦不能向下流动,愈积愈多,最后从塔顶溢出,称为液泛。
在设计设备时,必须使设备的操作不致发生液泛。
回流现象:
一带有注液设备的垂直管,液体自管壁上的小孔流下,气体自下往上走。
当气体流量降到一定值时,液膜将出现不稳定现象,两相分界面出现较大振幅的波动,液膜有下降到注液区下方的趋势。
鉴于液泛和回流现象对于反应堆安全的重要性,相关工作正在加紧进行。
哈尔滨工程大学的李希川等人对竖直窄矩形流道进行了液泛研究,并与传统流道进行了对比。
结果表明,竖直窄矩形流道内液泛起始点符合Wallis关系式,与传统流道液泛起始点以压差突变进行判断不同,窄矩形流道内液泛起始点的判断以有水被携带出流道为标志。
窄矩形流道内完全携带点与水流量大小、实验段入口条件无关,只与气体流量大小有关;
流向反转点与试验段壁面干燥程度有关,与水流量大小及气体入口条件无关.《竖直窄矩形流道液泛研究》
对于气液两相逆向流的流型图研究很少。
研究表明,和气液两相同时向上升或同向下降流动时的流型图不同,在气液两相逆向流动的流型图中,同一区域可以发生多种流型。
气液两相流的流型图对于设计是否有意义,目前工程上的大量气液两相流计算一般不考虑流型影响。
但是实际研究表明,流型对于气液两相流的各种计算是有影响的。
基于流型的计算方法最终将代替不考虑流型的计算方法,所以对于流型的研究就很有必要了。
现在对流型图的研究大部分是在绝热工况下研究得出的,今后的研究应着重于受热情况下单组份气液两相流沸腾时的流型及流型图以满足工程的需要。
不过绝热圆形管道的流型转换界限和受热圆形管道或非圆形管道的流型转换界限是大致相近的,这些是不成熟的初步研究结果。
克劳福特等在现在的受热管资料基础上得出了受热垂直上升管中的气液两相流型图和两相流在受热管书中上升流动时的流型图。
第三章管内两相流的摩擦阻力压力降和加速压力降
正确的压力降计算才能够保证安全的水循环和足够的流动压头,才能为整个流体系统选用合适的泵或其它动力设备提供可靠地依据,使整个系统既经济又安全地运转。
在气液两相流体流动时,构成管路总压力降有四种分压力降,即:
摩擦阻力压力降、局部阻力压力降、重位压力降和加速压力降。
本章着重介绍了摩擦阻力压力降和加速压力降的计算公式,下述几章分别介绍了重位压力降和局部阻力压力降的计算公式。
气液两相流体的摩擦阻力压力降计算式:
计算方法有苏联1950、1961、1978年锅炉水循环计算法、阿尔曼特计算式、米洛保尔斯基计算式、汤姆计算法、林宗虎-林宗振计算法等。
洛克哈特-马蒂内里计算法适用于低压的单组分或双组分气液两相流的流动工况;
马蒂内里-纳尔逊计算法适用于低质量流速的汽-水混合物流动工况;
均相模型计算法适用于高压、高质量流速工况;
汤姆计算式、苏联锅炉水利计算标准方法和我国电站锅炉水利计算方法都适用于汽-水混合物的工况,后两种考虑了质量流速对于摩擦阻力压力降的影响,因而比汤姆计算法具有更大的适用范围。
另外还有一些针对流型给出的计算式,如环状流型、流核为雾状的环状流型、细泡状流型、气弹状流型及分层流型等。
实验表明根据流型应用相应计算式得出的结果最正确,但是在受热状况下流型的研究仍然不够,所以还不能普遍使用,不过它是一种有前途的计算方法。
气液两相流的加速阻力压力降计算式:
摩擦阻力压力降的影响因素:
压力、干度、流动方向、质量流速、管径、管壁粗糙度、热流密度。
下式为管子进口处干度为Xi的分相模型加速压力降计算式:
下式为管子进口处干度为Xi的均相模型加速压力降计算式:
第四章管内气液两相流的重位压力降和截面含气率
重位压力降的计算方法可按下式计算:
可见要计算重位压力降,必须明确截面含气率的计算方法;
另外,上章加速压力降的计算也要知道截面含气率。
下面介绍一下主要计算式,并通过分析研究,明确其应用范围。
垂直管的计算方法有阿尔曼特计算法、克拉曼洛夫计算法、奥斯马奇金计算法、班可夫计算法等。
它们有的是应用体积含气率来求,有的是应用滑动比来求,有的是应用最小熵理论来求,有的是应用特殊模型来求,共有十几种之多。
倾斜上升管截面含气率的计算方法较少,有苏联1961年及78年锅炉水利计算标准方法、齐华尔兹计算方法等;
垂直下降管截面含气率实验研究资料也很少。
前面介绍课气液两相流体在管内流动时截面含气率的各种计算方法,影响它的因素同影响(即影响重压压力降的因素)与影响摩擦阻力压力降的因素相似。
第五章气液两相流的局部阻力和特殊管道的流动阻力压力降
突阔接头、突缩接头、文丘里管、孔板、弯头等管件,当气液两相流体流经时情况十分复杂,所以其局部阻力压力降也是气液两相流中研究的最少的内容之一。
所以压力降主要依据实验测定,本章只着重列举一下典型的局部阻力压力降的计算方法,包括:
突扩接头、突缩接头、管子和集箱连接时的管子入口和出口、弯头、三通和阀门、螺旋管局部阻力压力降及横向冲刷管束、内螺纹管和螺纹槽管中、装有扭带管子的流动阻力压力降。
其计算方法就是将动量方程与连续性方程联立求得计算公式,由于计算公式过于复杂,而且有的局部阻力压力降研究的还不够透彻,此处就不一一列举了。
详见《气液两相流与沸腾换热——林宗虎》P147-174。
另外在局部阻力的计算中有的也是要考虑流型的,不同的流型得出的公式也不尽相同。
第六章气液两相流流经孔板、文丘里管和喷嘴的压力降
孔板、文丘里管和喷嘴因为结构简单、无旋转部件等优点所以被用于单相流体流量的测量,也被用于气液两相流干度和流量的测量。
下面以单相流体流经孔板为例介绍一下其流量的测量原理,根据伯努利定律及连续性方程,建立起通过孔板的质量流量与孔板前后的压力降之间的关系式:
至于文丘里管和喷嘴,其计算原理与孔板相似,只是上式中的系数不同。
可见只要是测定了压力降就可以求得质量流量。
但是气液两相流流经文丘里管和喷嘴时,其压力降要小于流经孔板。
所以可以应用于允许压力降较小的管道中。
此外文丘里管应用的要多于喷嘴,其计算公式相应的也要多。
当两相流流经上述测量装置时,压力降不只与质量流量有关,还与气液两相流的干度有关。
流体流过节流装置时,静压力降包括两部分:
一部分是局部阻力损失导致的静压力降;
另一部分是由于流体动能变化引起的。
但是在实际中我们对局部阻力压降研究的很不够,所以本章讨论静压力降。
气液两相流流经孔板时的静压力降计算式有很多,比如均相模型计算式、詹姆斯计算式、穆道克计算式、比松计算式、林宗虎计算式等,此处简单介绍几个常用计算式。
均相流动模型计算式:
穆道克计算式:
但是穆道克计算式不能回到单相流体的计算公式中去。
气液两相流流经文丘里管时压力降计算公式有比松计算式、科林斯计算式、拉伐诺计算式、史密斯计算式、林宗虎计算式等。
气液混合物流过喷嘴时的压力降原则上可应用前述求孔板和文丘里管的公式,但各种公式的系数需根据喷嘴的试验确定,为这种试验做的不多,还有待今后进一步研究。
格雷厄姆曾经用低压空气-水混合物对不同结构尺寸的喷嘴进行过一系列试验,结果良好。
第七章气液两相流的分离与混合
之所以要研究气液两相的分离与混合,是因为工业设备在安全性方面或者功能性方面的需要。
气液两相流体在各种几何条件下的分离与混合式一个复杂的过程,包括液滴的粉碎与聚合、气液两相的扩散、两相指点的转动与相互作用、两相与壁面之间的相互作用及脉动现象。
下面将从大容积中的气液分离、管道中的分相流动与携带、平行管道中的气液两相分配问题以及两相分离与混合的设备几个方面来讨论。
大容积中气液分离:
在大容积中只要保证蒸汽容积的高度与蒸汽流速小于可以携带液滴的速度,就可以保证蒸汽的湿度,此外输出蒸汽的湿度还与液体的含盐量有关,因为炉水含盐量不超过临界时与蒸汽湿度无关,一旦超过,水面上会出现泡沫,炉水发生膨胀使蒸汽容积高度减小。
通过分析在气流中液滴的受力情况可得携带速度计算式如下:
液面平静无泡沫时的液滴上升的最大高度计算公式如下:
蒸汽锅炉锅筒中建议保持的蒸汽容积负荷值列于表7-1;
锅筒中允许保持的炉水含盐量列于表7-2.
斯捷尔曼曾经在炉水含盐量低于临界值的条件下对汽-水混合物在大容积中的分离问题进行过一系列研究,得出了蒸汽折算速度JG和考虑液面因含气而胀气后的蒸汽容积高度h之间的相互关系的计算式,在此不再详述。
气液分离设备进行气液分离的工作原理主要有:
利用气液密度差进行气液分离的重力分离;
利用气流改变方向时的惯性力进行气液分离的惯性力分离(波板分离器);
利用气流旋转运动时的离心力进行气液分离的离心力分离(旋风分离器);
利用水粘附在金属壁面上形成液膜流下而进行气液分离的液膜分离(液膜式分离器)。
在动力、核能、化工以及其它工业部门中存在气液两相流体流动的设备中常遇到气液两相流在分叉管和并联管中的均匀分配问题。
关于气液两相在分叉管中分配问题研究不多,且大部分为试验性研究,理论分析更少,另外本书还介绍了并联管的气液混合物分配,在此也不列举结果了。
在本书首先讨论了在三通管中的分配。
霍南等曾测量了空气-水在多种三通管中的分配均匀性【8】。
研究发现,主管空气质量含量越大,分配越不均匀,分配夹角对分配均匀性影响不大。
另外,试验还表明,在质量流速为1300-2700kg/(m2.s)范围内,质量流量对均匀性分配无显著影响。
皮埃尔也曾对空气-水混合物在三通管内分配均匀性进行了研究【9】,结果表明,主管空气气相浓度增大时,分配越不均匀,但当浓度达到一定值时,气相浓度愈高,分配反而越均匀。
阿佐巴迪的研究【10】表明三通管前的气液两相流型对于两相流在三通管中分配的均匀性有较大影响。
他认为这主要是由于各种流动型式狭隘各相的动量不同引起的,近年来萨巴等还试图应用分析方法来求解气液两相流过三通管时的分配均匀性问题【10】。
关于气液混合物在其它分叉管中的分配研究仍不透彻,在此作不介绍。
【8】HonanTJ.etal:
NuclearEngineeringandDesign.1981,64:
93-102
【9】CollierJG.SymposumonTwo-phaseFlowandHeatTransferinWater-CooledNuclearReactors.Dartmouthuniversity.August,1975
【10】SabaNetal:
Int.J.MultiphassFlow.1984,10
第8章蒸发管中的水动力特性和脉动问题
以多种型式布置的受热并联蒸发管中,设计不良时会出现水动力不稳定和脉动现象。
水动力特性是在一定热流密度下,强制流动管子中的工质质量流量与流动压力降之间的相互关系。
水动力不稳定会导致金属管子因热疲劳而损坏。
气液两相流体的脉动类别很多,主要有:
传热恶化型脉动、流型转变型脉动、声波型脉动、密度波型脉动、热力型脉动及压力降型脉动。
脉动现象会导致金属因温度周期性波动而疲劳损坏。
所以在设计直流锅炉及其它换热器的蒸发管系统时,必须防止出现水动力不稳定性和脉动现象。
水平并联蒸发管水动力不稳定性分析:
从数学上分析进口工质为带欠焓液体的水平蒸发管中存在水动力特性不稳定性:
即管子进口处工质欠焓小于上式值时,水平蒸发管中的水动力特性是稳定的。
从物理上来分析,是由气相和液相的比容不同引起的。
压力增加,气液比容差别减小,在流量增加时蒸发段中工质平均比容减少的少,水动力曲线趋向单值亦即水动力特性趋向稳定。
进口液体的欠焓减小,水动力曲线也趋向稳定。
热流密度对水动力曲线也有影响,主要是由于热流密度增大时,缩短了热水段的长度,即相当于减少了工质欠焓的影响。
对水平迂回上升并联管和从微倾角螺旋上升并联管而言,还要考虑其重位压力降的影响。
防止水平受热蒸发管水动力不稳定性最有效方法是增加蒸发管段的阻力,可以通过在蒸发管进口端加装节流圈或在热液段采用小直径管子达到。
下图示有节流圈的阻力曲线、呈现水动力不稳定的未装节流圈管子的水动力特性曲线以及加装节流圈后水动力特性变成稳定的水动力特性曲线。
垂直并联蒸发管中的水动力不稳定性:
在此列出几种管的水动力特性曲线。
关于脉动本章对各类脉动的特征、脉动流动的防止方法以及管子中是否会发生气液两相流体脉动流动的校验判别方法作了讨论。
脉动流动的分析计算方法,声波型脉动流动的判别方法可用下式:
密度波型脉动的分析计算方法有两种:
计算机程序和简化模型计算。
第九章气液两相流体横掠柱体的漩涡脱落特性
对气液两相流体绕流柱体时漩涡脱落特性的研究开始于20世纪80年代,研究历史较短,是多相流体力学国际前沿性研究项目。
本章介绍气液混合物横掠柱体及管束时的漩涡脱落特性及流体作用力。
斯特罗哈数St是表明漩涡脱落特性的一个相似准则数,它是研究流体绕流的一个重要特征参数,两相StTP的定义式为:
实验研究结果表明两相斯特罗哈数与柱体的形状、气液两相流的截面含气率、流体流动方向、流体流动方向及混合物的流速等参数有关。
除圆柱体外,具有锐边的柱体斯特罗哈数与来流的流速关系不大,主要取决于截面含气率,其通用表达式为:
涡街的结构是研究漩涡脱落机理和漩涡理论的一个很重要的内容,它涉及涡街中两列漩涡的间距和同列涡中相邻两个漩涡的距离。
气液两相涡街中还涉及漩涡内部结构及含气率的分布。
气液两相流体横向冲刷管束时的漩涡脱落特性与管束的排列形式、横向间距、纵向节距及含气率有关,目前这方面的研究还很少。
第十章强制对流沸腾换热
强制对流沸腾换热是指沸腾流体在管道中作强制流动时的对流传热。
下面详述一下当热流密度不高且液体沿管长全部蒸发时沿管长的流型及相应传热方式的变化。
图示A区,液体温度低于饱和温度,管壁温度也低于产生气泡所需的温度,所以此区换热为单相对流换热。
B区,液体主流温度仍低于饱和温度,但壁温已过热到足以产生气泡,因而在壁面上有气泡形成。
此区传热方式称为过冷气泡状沸腾换热,由于主流温度仍低于饱和温度,所以气泡早脱离壁面进入主流时即凝结消失。
C区和D区,管子中的工质温度等于相应压力下的饱和温度,壁温又过热到足以产生气泡的温度,此区传热方式称为饱和气泡状沸腾。
此两区产生蒸汽量沿管长增多,两相流体的流型由细泡状流型、气弹状流型发展到环状流型的初始阶段。
E区和F区,蒸汽在管子中心形成一个气柱而大部分水则以环状液膜形式沿管壁流动。
此时管壁过热度降低到在壁面上不会产生气泡而在气液分界面上液体不断蒸发的温度。
这种传热方式称为通过液膜的两相强制对流换热。
F区液膜不断蒸发及液膜被管子中心气流卷走,沿管长液膜越来越薄。
最后至G区雾状流动,出现蒸干现象,传热恶化。
H区时。
传热方式为单相蒸汽对流换热。
过冷沸腾换热分为单相对流换热区域、部分过冷沸腾换热区域、充分发展过冷沸腾换热区域。
单相液体强制对流换热系数的计算式可参见一般传热书籍。
部分过冷换热区域,单相对流换热和气化过程同时发生,对于这种情况,罗西纳建议应分别按单相对流换热和过冷沸腾两部分分别计算热流密度再进行叠加的方法进行计算。
不同于单相对流换热区域和部分过冷沸腾换热区域,充分发展过冷沸腾换热区域质量流速和过冷度对换热的影响不大,所以适用于大容器的传热计算式有时可以用于此区。
另外,本书还给出了过冷沸腾时截面含气率和压力降的计算公式。
饱和气泡状沸腾换热的计算公式可用充分发展的过冷沸腾换热区域计算公式计算,不过液体温度应等于饱和液体温度,而且换热系数为常数。
但是当流型发展到环状流动时,饱和气泡状沸腾受到抑制,这是因为当干度不高时,壁上液膜较厚,此时液膜的温度降落使壁温能维持在高于发生气泡沸腾所需的温度。
随着干度的增加,液膜变薄,壁温降至气低于发生汽泡
所需的温度,饱和气泡状沸腾受到抑制。
传热进入通过液膜的两相强制对流换热。
当然两个区域间还存在一个部分饱和气泡状沸腾区域。
通过液膜的两相强制对流换热区域中,热量靠传导和对流通过液膜传递,而蒸汽则在汽核和壁上液膜的交界面上不断生成,此区换热系数很高,已发表的换热系数高达200kw/(m.k).
在气液两相强制对流区域中,当受热壁面上液膜部分或全部消失时将出现蒸干工况或临界热流密度工况。
此时气液两相流的流型为蒸汽中夹杂液滴的雾状流动,而从传热区域上划分则属于缺液区传热。
缺液区传热对于工程设计是十分重要的,它对于整个传热过程的安全性有重要影响,尤其是对反应堆燃料的冷却问题。
在对缺液的传热进行研究时,一种特别的研究方法是将管分为两段,而两段的热流密度并不相同,研究此时管段的传热工况。
缺液区传热计算式一般可分为三类:
1、经验计算式:
对传热机理不做任何假设,是综合实验数据后得出的换热系数和个独立变数之间的关系式。
2、考虑热力不平衡工况的计算式,力求算得真实蒸汽干度与蒸汽温度,壁温则通常用单相传热计算式计算。
3、半理论模型计算式。
先分别建立受热管道中的水动力计算式和传热过程计算式,再进行计算。
总之,计算关系式很多,本书也介绍了不少各种计算式。
本文还讨论了不稳定流动时的强制对流沸腾换热,例如在直流锅炉和核反应堆装置的沸腾管中的传热工况。
对于不稳定的传热工况研究得极少,本文作者研究以氟利昂11为工质在试验台上研究了电加热垂直上升管中工质沸腾并发生脉动流动时的传热工况此问题,在应用相似理论和综合实验数据的基础上,得出了计算脉动流动时局部地区的时均换热系数的计算式
作者共研究了六种不同内壁形状的管子,验证了均可应用式(10-30)计算管内脉动流动时的换热系数,只需根据不同管子选用不同管壁状况修正系数Cs即可。
第十一章管道内强制对流沸腾换热的强化传热方法
管内强制对流沸腾换热的主要影响因素有:
流速、热力学干度x或容积含量β及热流密度等。
此外,换热面形状、几何结构尺寸、工质流动方式等也有一定影响。
热负荷不高时,单相对流换热占主导地位,此时,流速越高,换热系数越大,且与热负荷近乎无关。
随着热负荷的增大,气泡状沸腾换热作用增大,此时换热系数随热负荷增大。
最后当汽化过程加强到主要依靠气泡状沸腾换热方式进行时,流速对换热系数已无影响。
下图所示为压力为0.2Mpa的水沸腾时蒸汽容积含量β和换热系数α的关系曲线。
由图可见,在β=0-60%时,换热工况为稳定气泡状沸腾换热所以换热系数为常数。
当蒸汽容积含量超过60%时,气速加快液体真实流速增大,液体强制对流换热作用增强,所以α随β增大而增大。
当β超过某一值时,液膜蒸干换热恶化。
原则上凡是用以增强管内单相液体强制对流换热方式和大容器沸腾换热过程的各种强化措施,大多数都能增强换热,但是强化程度视具体情况而定。
换热面表面粗糙法和表面特殊处理法、流体旋转法(如管内插入扭带、螺旋片等)、应用扩展表面法(原理是扩大换热面积)、静电场添加剂和振动法等。
详细结果不再叙述。
第十四章气液两相流测量技术
气液两相流测量的主要是流量、流速、压力、温度、各相含量和传热系数等物理量。
本章介绍了近年来气液两相流的最新测试技术,包括核磁共振技术(NMR)、过程层析成像技术(PT)、流型检测技术和气液两相流体流量测试技术。
下面简单介绍一下各种方法。
核磁共振技术:
能直接瞄准流体分子中原子核进行测量,测出分子扩散速率、流速概率密度等,测量过程对流场无干扰。
本文给出了截面含气率、液相折算流速以及局部一些量的测量原理及方法。
这里只简单介绍一下截面含气率的测量。
根据测量方法,分为相位法和距离时间法。
根据核磁共振原理,在t时刻向测量控制体施加90°
射频脉冲后,核磁共振的回波信号强度与测量控制体内的自旋核数量成正比,也就是与液相的体积成正比。
由此可以得出截面含气率的计算式:
式中V为测量控制体的体积,VL(t)为液相所占体积,M00为液体充满整个管道时的信号强度。
可见由核磁共振测量是很方便的。
非接触式测量,对流场无干扰;
可以实现三维流速和浓度等参数的测量;
能够测出连续的无间隔的参数分布。
但是也有一定的局限性,首先流体管道和流体必须是绝缘体,同时也不具有磁性;
造价昂贵;
只能测液相参数不能测气相参数等。
过程层析成像技术主要以工业过程尤其是两相流和三相流为检测对象,原理同CT基本相似,通过不同方向的投影数据对原来的事物进行二维或三维重建,可以检测管道内的流型、相份额及流速等。
它最大的优点是能够对过程进行在线实时测量,不过由于实际环境往往比较恶劣,实际流体的特性也比实验室内流体复杂,故在测量电路实施性和灵敏度以及软件方面还要做进一步研究。
气液两相流的流型检测技术具有十分重要的作用,不同的流型由不同的换热特性。
目前常用的是信号特征分析法,级通过分析传感器的随机信号特征来进行流型识别。
研究较多的这类传感器主要有:
电容、电阻、光学、差压和γ射线等。
气液两相流流量测量技术:
根据在测量过程中是否对两相流进行分离可以将测量技术分为分离法和非分离法。
传统的分离法分离设备体积庞大价格昂贵,增加了成本已不能满足石油工业的要求,各国都在竞相开发能够测量的两相流量计以取代分离法,已出现的主要方法有以下几种:
应用两种常规流量计进行组合测量、应用常规流量计与射线密度计组合测量、应用真实质量流量计进行测量、应用两相流的波动信号特征值进行测量、应用放射性同位素示踪技术测量、脉冲中子辐射法。
第十五章多相流研究进展
近期多相流基础理论研究:
多相流流型和流型图:
对于气体和牛顿型流体在水平、垂直管内等流型及流型图已研究的较完善,不过气体和非牛顿液体的管内两相流流型以及对于小尺寸管或特殊管子的两相流仍有研究空间。
另外,由于气液两相流在宇宙飞船的设计和运行中由重要用途。
因此,建立微重力下的气液两相流流型图就很必要。
根据Rezkallah的研究,微重力下的气液两相流流型图基本上可分为细泡状、弹状、泛沫弹状和环状等,并建立了流型图和流型转换条件。
Collin和Bousman研究了管径、液体粘性和表面张力对流型的影响。
压力降:
在气液两相流压力降方面,新论文主要涉及特殊管子、微重力条件下以及气
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- 两相 沸腾 传热 笔记 双双