流型

更新时间:2022-10-24 16:26

气液两相流中,不同的流量、压力、管路布置状况和管道几何形状都会造成相界面的形状(分布)的不同,即形成不同的流动结构模式,对此称为流型(流态,流谱)。

流型的研究

流型研究的目的和意义为:不同流型具有不同的压力、流量特征,也具有不同的传热特性,不考虑流型变化的阻力和传热特性计算是粗糙和不可靠的。可以说流型是两相流研究的基础。50年代Baker等就证明了流动特性计算和流型间的这种依变关系。

过去,应用流型研究的方法为:

(1)进行大量的试验;

(2)画出流型图;

(3)根据流动条件在流型图上确定流型。

现在应用流型研究的方法为:

(1)根据试验和理论分析,探讨流型产生、发展的过程,建立流型转变机理的数学物理模型;

(2)根据流型转变的机理来判断流型;

(3)然后,根据具体流型的特征来建立相应的数学物理模型,进行流动特性和传热特性的计算。

流型的分类

流型的分类经历了一个由粗到细;又由细到粗的过程。并不是越细越好;应以满足工程实际应用和两相流计算的需要为目的,摒弃那些似是而非,没有显著特征的流型分类,将其归并到其它流型中去。流动形态多种多样,界限也不是十分清晰。在处理两相流体力学问题时;可以人为地分为几种流动形态,并且认为,在每一种流动形态范围内,其流体力学特性是基本相同的。

常用的流型划分方式一般为两类,一类是按照两相管输中流体的外观形状来划分;另外一类是按照管输介质的连续性来划分。

按流体的外观形状来划分流型,其中一种典型的方式是按照气体输量由少到多来划分,依次将流型划分为气泡流、气团流、分层光滑流、分层波浪流、段塞流(段塞流)、环状流、雾状流。由于众专家采用这种划分方式使用的实验手段和人为判断的差异,这类划分法所划分的流型不仅数量不同,甚至连名称也不统一。

为便于将两相流问题与比较成熟的单相流流体力学相联系,同时又能将各种不同流型归结为较少的几种模式,相互之间有比较明确的区分特征,简化理论研究对象,从管输介质的连续性出发,可将流型划分为分散流、分离流、间歇流三种。

典型的流型

水平管道中

在水平管道中,典型的流型有等,如图1所示。在低液速范围内,随着气速的增加依次发生分层流、波状流和环-雾状流三种流型;在中等液速范围内,随着气速的增大,依次产生长泡流和液节流;在高液速下,随着气速的增大,产生分散气泡流;在极大气速时,分散气泡流向环一雾状流转变。

(1)分层流。在液速、气速都很低时,气液之间的作用很微弱,液体在管道下部流动,而气体则在上部流动。两相都是连续的。界面是平滑的。当气速增大时,界面上出现一些波纹,但仍属于分层流。

(2)波状流。当气速再增大时,波纹变为大波。有时掀起的波尖可以舔到管子的拱顶。和分层流的相同处是两相都是连续的,不同处是两相之间的作用加剧了。

(3)环-雾状流 。在气速更加增大时,液层深度越来越浅,已不足以掀起大波, 而被气流冲散到管壁上, 形成上下不对称的环形液膜, 也有一部分液体被吹扫至气流中成为雾沫。 气相是连续的。 在气速更高的条件下,液膜可能不再存在, 这就是单纯的雾状流。

(4)长泡流。在低气速时,气体以长形气泡的形式紧贴在管道上壁向前移动。有的文献中用活塞流 ( Plug Flow)名称。也有的文献将这种流型称为气泡流(Bubble Flow) 。在长泡流中液体是连续相。

(5)液节流。如再增加气速,长泡增大,其截面可增至接近管子整个面积,液体被分成一节节地向前移动,从而形成液节流。

(6)分散气泡流。在高速流动的液体中, 气体被分散成小气泡, 比较均匀地分布在管截面上。有的文献中称它为泡沫流 ( Froth Flow ) 。也有将它和长泡流混为一谈的,统称为气泡流。分散气泡流的液相是连续的。

垂直管道中

在垂直管内,典型的气液两相向上流动时发生的流型有气泡流、液节流、泡沫流和环-雾状流等,如图2所示。

流型判别方法

较流行的流型判别方法有 Baker、Brill、Beggs-Brill、Taitel、SCA(段塞特征分析法)等几种方法。经过算例的对比发现,每种判别方法都有其各自的适用范围。其中,Baker、Beggs-Brill 方法在进行流型判别时没有考虑管线倾角的影响,而且只是针对有限的实验介质进行的归纳总结,没有充分考虑气液物性对流型转变的影响。相比之下,Taitel 是近年来在数值计算中采用最为广泛的流型判别准则。由于 Taitel 准则是利用非粘性理论推导而来的,只能适用于低粘性流体。对于粘性不能忽略的石油工业,Taitel 判断准则的分层流范围过小。SCA 法从段塞流的稳定性机理出发,其中关于段塞流的经验公式涵盖了各种管径的管道,较为成熟,但其缺点在于,进行流型判别时将分散气泡流的范围设定的过大。

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