哈工大多相流体力学讲义.docx
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哈工大多相流体力学讲义
多相流体力学讲义
市政环境工程学院
《多相流体力学》教学内容及要求
课程名称:
多相流体力学
英文名称:
Multi-phaseFluidMechanic
学分:
2
总学时:
36
开课单位:
市政环境工程学院建筑热能工程系
授课对象:
水力学与河流动力学专业研究生、供热供燃气通风及空调工程专业研究生
课程要求:
必修课、任选课、
先修课程:
流体力学、传热学、工程热力学
参考教材:
(1《两相与多相流体动力学》郭烈锦编著,西安交大出版社(2《两相流体力学》孔珑主编,高等教育出版社;(3《两相流体力学》王慕贤主编,哈工大出版社,(4《两相流与沸腾换热》鲁钟琪编著,清华大学出版社;
一、本课程的性质、教学目的及其在教学计划中的地位与作用
多相流体力学及其测量在动力、化工、石油、制冷、宇航等一系列工程中均得到重要应用。
多相流体力学是一门较为年轻的学科,是流体力学的一个重要分支,至今只有数十年的历史。
主要研究气液、液液、气固、液固、气液固或气固液等多种流体在管内或管外流动时(有换热的或无换热的的流动型态、流动阻力、流动稳定性、多种流体的混合、分离和在并联管中的分配均匀性等问题。
对于这些流动机理及多相流体测量技术均属国际有关前沿课题,有广阔的发展空间和创新领域。
对于发展现代或未来的创新工程具有重要的理论和实用意义,并可取得重要经济效益。
本课程为水力学专业研究生的必修课、建筑环境与设备工程专业重要的选修课课之一,主要用于增强学生的专业理论水平,拓宽学生的知识面,了解本领域的国内外研究动态,提高科技创新能力,训练学生利用所学理论解决实际工程实际的能力和原始创新能力。
作为流体力学的一个分支,本课程以经典流体力学的基本原理为理论体系,既有严密的理论分析,又有实验研究。
充分体现了为工程服务的理论联系实际的工程流体力学类课程的基本性质。
通过本课程的学习,可使学生掌握两相共存时流体力学中基本理论、基本概念,以及在土木工程领域的具体应用以及表现形式;了解国内外研究动态;在多相流领域寻求科技创新点。
二、本课程的主要内容,各章节内容及学时如下表:
时数教学(授课或讨论内容
4第一章绪论
1.1两相与多相的定义与分类
1.2多相流体力学的发展史
1.3多相流的研究和处理方法
1.4国内多相流领域的最近研究课题1.5多相流中的专用术语及常见参数
4第二章多相流相场空间结构
2.1概述
2.2相速度和相含率分布
1、微分分析法2、积分分析方法
2.3流型及其转变特性
1、气液两相流流型及流型图
2、流型转变界限积机理
4第三章两相流的基本方程
3.1均相定常一维流动基本方程3.2分相一维定常基本方程
3.3解析模型基本方程(二流体模型3.4两相流的模化与准则特性方程
4第四章两相流的压降
4.1汽液两相流动量方程的积分
1、均相流积分2、分相流积分
4.2全液相折算系数、分液相折算系数、分气相折算系数4.3气液两相的截面含气率
1、一维二速度模型2、二维一速度模型3、二维二速度模型4.4汽液两相流压降的经验方法
4第五章气液环状流动的解析分析5.1概述
5.2三角关系式及其简化5.3摩擦压降与空泡率的关系5.4液体夹带
5.3摩擦压降的计算
4第六章气固、液固两相流
6.1固体物料颗粒的特性
1、颗粒在流体中的沉降与悬浮2、固体颗粒的粒径、粒度分布6.2固体颗粒床的流体力学原理
1、固体颗粒床的分类2、均匀圆球颗粒固定床的流体力学原理3、实际物料固定床的厄贡公式4流化床的流体力学原理
4
6..3气力、水力输送的基本方程与基本概念
1、气力输送的基本工作参数2、作用在颗粒上的力3、水平管气力输送的流型4、稀相输送时颗粒群在直管中运动微分方程6.4气力、水力输送能量损失估算
6.5固体颗粒在流体中的沉降分离与旋流分离
4第七章两相流动的测量技术与实践7.1汽液两相流的测量
7.2气固两相流的测量
7.3多相流测量实践
4针对课堂讲授内容的总结,问题讨论、教学效果探讨及答疑备考三、本课程的其他教学环节
无。
四、考核方式
成绩为百分制。
考试内容基本覆盖全部授课内容。
第一章绪论
1.1两相与多相的定义与分类
两相流就是指必须同时考虑物质两相共存且具有明显相界面的混合物流动力学关系得特殊流动问题。
在不同的学科中,根据研究对象的不同特点,对相各有特定的说明。
比如物理学中,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。
同时存在两种及两种以上相态的物质混合体的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。
在两相流研究中,把物质分为连续介质和离散介质。
因为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,这样定义的两相流不仅包含了多相流动力学中所研究的流动,而且把复杂的流动概括为两相流动,使问题得到简化。
此外还有动力学意义上的相及物理上的相。
自然界和工业过程中常见的两相及多相流主要有如下几种,其中以两相流最为普通。
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。
它又可以分单组分工质如水—水蒸气的汽液两相流和双组分工质如空气—水气液两相流两类,前者汽、液两相都具有相同的化学成分,后者则是
两相各有不同的化学成分。
单组分的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;双组分气液两相流则一般在流动中不会发生相变。
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。
严格的说,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。
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问题,使两相流的研究大为简化。
又由于其假定的前提,使用拟流体假设时要特别注意适用条件。
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.液固两相流
液体和固体颗粒混合在一起共同流动称为液固两相流。
如工程大量使用的水力输送等。
4.液液两相流
两种互不相溶的液体混合在一起的流动称为液液两相流。
油田开采与地面集输、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;气体和两种不能均匀混合、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。
1.2多相流体力学的发展史
18世纪中叶瓦特发明蒸汽机以来,工业事故的时常发生促使人们研究锅炉内的水循环和传热问题。
早在1877年Boussinesq就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,已经有相关论文的发表,有的甚至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。
两相流的名词在1949年已见诸文献。
50年代后,随着动力工业中高温高压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、激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。
从1948~1949年Lokhart和Matinelli等人先后提出气液两相流摩擦阻力计算的Lokhart—Matinelli参数及经验方法到1961年Streeter主编的《流体动力学手册》用专门一节介绍两相流。
20世纪60年代后,越来越多的学者从不同的家度探索了描述两相流运动规律的基本方程。
因此,两相流体力学作为一门独立的学科可以说已经形成,并正在迅猛发展中。
但总的来说,两相流动力学的理论还很不成熟,尚处于发
展初期,很多方面仍然停留在不同传统行业中特定条件下的经验总结,都还依赖于经验数据,而且数据的分散性还很大。
故而可以说要使两相与多相流动真正成为一门独立成熟的科学,还有很艰难很遥远的路程要走。
1.3多相流的研究和处理方法
与普通流体动力学类似,研究两相流问题的方法可以分为理论研究和实验研究两方面。
由于许多两相流动现象、机理和过程目前还不甚清楚,许多工程设计都只能依靠大量观察和测量建立起来的经验关系式,因此,实验研究与测量在两相流领域目前仍占据着无可替代的首要地位。
从理论分析方法来看,仍然存在微观和宏观两种观点。
微观分析法就是从分子运动论出发,利用Boltzman方程和统计平均概念及其理论,建立两相流中各相的基本守恒方程。
微观分析法可以在描述流动问题上有许多概念上的优点,可以比宏观的连续介质理论给我们更多的知识,但由于物理上和数学上的许多困难,目前还不能使用分子运动论来处理任何实际流动问题。
宏观分析法就是以连续介质假设为基础,将两相流中各相都视为连续介质流体,根据每一相的质量、动量和能量宏观守恒方程以及相间相互作用,建立两相流的基本方程组,再利用这些两相流基本方程去研究分析各种具体的两相流问题。
从宏观观点分析两相流的方法又可以分为3类。
1.扩散模型法
即假定相互扩散作用是连续进行,其基本观点是:
(1两相流混合物体中的每一点都同时被两相所占据;
(2混合物的热力学和输运特性取决于各相的特性和浓度;
(3各相以自己的质量速度中心移动,相间相互扩散作用反映在模型内。
2.有限容积法
假定过程处于平衡状态,可用平衡方程式进行描述,基本方法是:
(1认为流动是一维的;
(2对一个有限容积写出质量、动量和能量守恒方程;
(3守恒方程即可按混合物写出,也可按单独相列出。
3.平均法
假定过程处于平衡状态,用平均的守恒方程进行描述,类似低通滤波的方法。
上诉3种方法的共同点就是不考虑局部的和瞬时的特性,仅考虑相界面上流体微粒集中的相互作用,即宏观动力学。
1.4两相流的课题研究
本课程主要研究气液、液液、气固、液固、气液固或气固液等多种流体在管内或管外流动时(有换热的或无换热的的流动型态、流动阻力、流动稳定性、多种流体的混合、分离和在并联管中的分配均匀性等问题。
对于这些流动机理及多相流体测量技术均属国际有关前沿课题,有广阔的发展空间和创新领域。
对于发展现代或未来的创新
工程具有重要的理论和实用意义,并可取得重要经济效益。
林宗虎教授在热能、核电、石化等工程的重要理论-气液两相流与传热学科领域取得多方面开创性成果。
在气液两方面:
他创建的两相流孔板流量计算式可通用于各种压力、不同组分、多种两相流体和变压力工况,被国际上推荐为最佳式,称林氏公式,并被收入国内外6本著作,被引用数十次。
他首先对U型管内两相流体压力降型脉动机理进行系统研究,创建其计算程序和脉动判别法并解决过电站锅炉严重脉动问题。
他创建了3种两相摩阻计算法和一种截面含汽率计算式并被广泛应用。
在沸腾传热方面:
创立了国际上第一个脉动流动时的沸腾传热计算式,可用于光管和多种强化传热管,开拓了传热研究新方向。
对过冷沸腾传热、稳定流动沸腾传热均有研究成果。
在多相流测量方面:
在林氏公式基础上,他首先解决了用一个元件同时测定两相流量和组分两个参数的国际难题并得到专利和应用,经济效益显著。
主要研究热能动力、石油、化工、核能及环境工程内的多相流体的流动及传热规律。
主要包括以下几个方面:
1.多相流体流量测试技术油-气-水三相流计量技术及仪表,蒸汽-水流量计
2.油气安全混输理论和技术段塞流的形成及防止,段塞流的检测
3.采油测井技术井下吸汽、吸水及吸聚合物剖面测试技术,井下产液剖面测试技术
4.超临界流体技术超临界机组的汽-固磨蚀,超临界流体技术在环保
工程中的应用
5.多相流体动力学及其数值计算(热能动力工程、石油、化工、冶金工程、环境工程以及生命血液流动等应用领域
6.多相流测试技术及热工仪表开发
7..CO2的流动和相变换热;超临界CO2萃取技术
近年来,两相流领域国家自然基金资助情况:
2002年资助项目
:
2004年资助项目:
2005年,项目
2006年,项目
1.5多相流中的专用术语及常见参数
质量流量是指单位时间内流过通道总流通截面积的流体质量,用W表示。
两相流总的质量流量是各相质量流量之和。
质量流速是单位流通截面积上的质量流量,用G表示。
容积流量是指单位时间流过通道总流通截面积的流体容积,用Q表示。
两相流总的容积流量同样是各相容积流量之和。
容积流速是单位流通截面积上的容积流量,又称折算速度。
各相的折算速度表示两相混合物中任何一相单独流过整个通道截面积时的速度,称为该相的折算速度。
容积相含率是指各相容积流量与总容积流量之比。
在气液两相流系统气相的容积相含率又称为容积含气率。
各相真实流速:
各相容积流量除以流动中各相各自所占流通截面积即为各相的真实流速。
真实相含率或截面相含率:
某相的流动在任意流通截面积上所占通道截面积与总的流通截面积之比称作该相的真实相含率或截面相含率。
对气液两相流,气相的真实相含率又称为截面含气率、真实含气率或空隙率。
两相流中各相真实速度的比值称为滑动比。
滑移速度是指两相流各相真实速度的差。
漂移速度是指轻相速度与两相混合物平均速度之差。
两相混合物平均速度指当滑动比S=1时两相混合物的速度。
漂移流率是指滑移速度的两边乘以通分后的分母项,消去分母项后的等式。
两相混合物的密度与比容
两相流体的密度由两种表示法:
流动密度和真实密度
流动密度:
指单位时间内流过界面的两相混合物的质量与容积之比。
教材(4P7
加权参数:
为了计算方便和进行试验数据拟和,常对两相流的真实参数进行权重因子的加权;后面,根据需要可随时提出这类加权参数:
例如
粘度:
11
gl
uu
κκ
µ
−
=+
;导热系数:
(1glkkkϕϕ=+−
教材(4P2
实际参数和虚拟参数:
可定参数和不定参数:
二者之间的关系
第二章多相流相场空间结构
2.1概述
多相流最为显著的特征就是在时空尺度上表现出的各相流速与相浓度或相含率的不均匀性、流动结构与参数的多值性和转变过程的不可逆性。
两种及两种以上不同相的物质共存和运动所造成的系统内部不同区域各相的份额、流动参数等均存在差异,即使是稳态流动,系统内部不同区域间的相态及其分布也不是均匀一致的,这就是时空尺度上的不均匀性。
由于多相介质的共存和相界面的多变,多相流的宏观结构即流型也呈现多种状态。
相应于不同的流型,即便系统运行的宏观参数相同,多相流场中状态及流动参数的分布与取值也不会相同,表现出一种流动结构与参数的多值性。
过程的不可逆性表现在微观上,相间界面微层结构内分子随机运动所造成的界面变形的随机性与系统中宏观状态的不稳定性诱发的状态转变等都属于能量耗散过程,这种耗散结构的转化是不可逆的熵增过程。
对于稳态流动而言,时空尺度上不均匀性和状态多值性的具体表现主要有流场中相速度和相含率的分布、相界面宏观结构即流型的多种形式及其相互转变。
下面我们就相速度和相含率的分布、流型及其转变的基本规律以及研究方法作一简要地介绍。
2.2相速度和相含率分布
所谓微分分析法就是针对流场中的一微元体建立微分方程,
解微分方程得到速度和浓度在流场中分布的方法。
1.单相流中的速度分布
在单相流中,如果忽略由于温度差异和压强差异而引起的流体物性变化,在通道流通横截面上“浓度”分布通常是均匀一致的。
圆管内无量纲速度的分布为:
1uInyCk
++=+2.两相流中的速度分布
假设流动是局部均匀的,那么上述针对单相流的方法同样也适用于两相或多相流动。
所谓积分分析法,就是先假设流场中相速度和浓度分布,用积分形式的方程来描述这些分布,同时使它们满足动力学条件和几何条件要求。
例如对圆管内的气液两相流,Bankoff变密度模型即是以局部均匀流动及没有相对速度的假设为基础,假定相速度和浓度分布服从乘方律,于是有10mmuyur⎛⎞=⎜⎟⎝⎠10n
myrαα⎛⎞=⎜⎟⎝⎠式中mu和mα分别是管道中心的连续相速度值和当地含七率值,y
是离壁面的距离,0r是管道半径。
等效单相流动的平均速度可由积分得到
4960
muu=若含气率为α,液膜中的平均速度为
((0117
020001
21rfmyuurydyrrππα⎛⎞=−⎜⎟−⎝⎠∫积分后得
(
149601fmuuα=−由壁面剪切应力定义知
2
1wfwCuτρ=2.3流型及其转变特性
1.垂直上升管中的气液两相流流型及其流型图
(1细泡状流型
是最常见的流型之一,其特征为在液相中带有散布在液体中的细小气泡。
(2气弹状流型
由一系列气弹组成。
气弹端部呈球形而尾部是平的。
(3块块流型
当管内气速增大时,气弹发生分裂性成块状流型。
此时大小不一的块状气体在液流中以混乱状态流动。
(4带纤维的环状流型
在这种流型中,管壁上液膜较厚且含有小气泡。
管子核心部分主要是气体,但在气流中含有由被气体从液膜带走的细小液
滴形成的长条纤维。
(5环状流型
在这种流型中,管壁上有一层液膜,管子核心部分为带有自液膜卷入的细小液滴的气体。
环状流型都发生在较高气体流速时。
2.垂直下降管中的气液两相流流型及其流型图
(1细泡状流型
(2气弹状流型
(3下降液膜流型
(4带气泡的下降液膜流型
(5环状流型
(6雾式环状流型
3.水平管中的气液两相流流型及其流型图
气液两相流体在水平管中流动时的流型种类比垂直管中的多。
这主要是由于重力的影响使气液两相有分开流动的倾向造成的。
(1细泡状流型
(2气塞状流型
(3分层流型
(4波状分层流型
(5气弹状流型
(6环状流型
4.立式螺旋管内向下流动的流型及其转变特性
(1分层流
(2波状分层流
(3弹块状流
(4柱塞状流
(5环状流
(6分散泡状流
实验结果表明,随着螺旋曲率直径比D/d的减小,分散泡状流转变发生在较低液速下,低气速下分散泡状流转变液速随D/d变化不大,仅略有上升,原因可能是低气速下离心力与重力的作用使小螺旋直径管内气液两相更趋分离。
5.卧式螺旋管内流型及其转变特性
(1水/空气两相流试验结果与分析
1流型的分类与定义
A.全管圈整体观察结果
a不稳定停滞脉冲流
这是一种以周期性脉冲形式出现的流动,类似于但不同于间歇状流,发生在很低的混合物流速下。
b间歇状流
当混合物流速变高后,液相沿管圈圆周向成连续状态,而气相呈气弹状或以不连续形式随液相流动,或以混块状形式掠过管道。
c环状流
液相呈环膜状沿管壁向前流动,高速中心气流夹带液粒。
液膜沿管圈圆周角和管壁周向分布都不均匀,管圈上升区段液膜厚度较下降区段要后得多。
d分散泡状流
高液速条件下气相以离散泡状形式分布在连续的液体中,由于离心力的作用,液相一般在管圈外侧流动,气相则在管内侧流动。
B.局部区段流型观察结果
a10≤θ≤10
区段在该区段全流量范围内管内底层都始终保持一层液体,液层表面存在较大波动,随着全管圈宏观流型向连续的间歇状流动转变,该区段流型也变为弹块状货柱塞状流。
b170≤θ≤200区段
在该区段内出现的流动结构大致可分为如下4种:
干涸-脉冲流
波状流与混块状流
环状流
分散泡状流
cθ=90附近的上升流区段
在该区段,全流量范围内管壁周围始终有液体保护,气液两相出现泡状流动、弹、混块状流动、环状流动3种基本流型,泡
状流动中又可分为孤立泡状流及离散密集泡状流两种子区域。
dθ=-80~100下降流区段
在该区段,气液两相流出现波状分层流动、分散泡状流动和环状流动3种基本流型。
波状分层流中又可对应于全管圈不稳定停滞脉冲流和间歇状流分为间歇脉冲式波状流和连续波状流两种子区域。
eθ=-20~-40区段
在该区段内流动分为向下倾斜流,两相流型大致分为感和-脉冲溪流,波状流,环状流和分散泡状流。
2转变特性试验结果与分析
3种管圈流型图都可分为4个区域,存在3条转变线,它们是不稳定停滞脉动流—间歇状流—分散泡状流转变和间歇状流—环状流转变。
(2水/水蒸气中、高压两相流试验结果与分析
A.流型的分类与定义
a泡状流
b间歇混块状流
c环状流
B.转变特性试验结果与分析
1.转变界限的无量纲表述
Taitel等应用了一系列无因此参数来确定水平管中各种流型
的转换界限。
无因此液位高度为l
lhhD
=
液相的无因此当量直径44LL
LLL
AADPDP==无因此值20GL
Kuu
无因此判别式(
22
8G
n
i
L
LLATPuuD−≺
2.转变机理1环状流
简述。
气液两相环状流是蒸发管内最基本最常见而且传热A.属于这种流型,研究环状流的形成或转变机理,建立环状流的预报模型并预报其各种特性,是两相流领域内很重要、也是目前最热门的一项工作。
B.卧式螺旋管内环状流的转变
卧式螺旋管内的流动,沿管圈流动时,要经历由倾斜上升到倾斜下降全周位的变化,流动方向的连续改变,致使作用在流体质点上的体积力的大小、方向及作用机制也发生变化,因此两相流体在卧式螺旋管内不同圆周角位置处的流型特征及其转变机理都存在着差异。
C.卧式螺旋管内环状流的转变的机理a液膜失稳条件
b自然阻塞准则c夹带和沉积条件d液体粒子的横向抛移机理e液膜破裂机理
D.环状流转变边界的联合准则方程其无量纲转变准则如下:
(331751
1l
l
ll
YXαααα+=
−
−
式中1
22
24242n
llollollonggoggogogcVdVdpddzXdpcVdVdzdργργ−−⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠==⎛⎞
⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎜⎟⎝⎠
(sin/lggodpYgdzρρβ⎛⎞
=−⎜⎟⎝⎠
2泡状流的转变
A.简述。
泡状流动实际上有2种类型:
a是主流液体流速很低,其紊流强度根本不足以将汽相离散化,但气体流量极小,仍可观察到液体中携带有稀疏孤立的小气泡的流型。
b是在高液速下,主流液体的紊流强度足够
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