氣液兩相流理論分析模型及實(shí)驗(yàn)平臺介紹

張威

摘要：介紹了氣液兩相流的理論分析模型，均相流模型、分相流模型、漂移流模型、雙流體模型，各模型的特點(diǎn)及適用條件，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。并介紹了國家化工設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心換熱實(shí)驗(yàn)平臺，為氣液兩相流實(shí)驗(yàn)研究提供支撐。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流；兩相流模型；實(shí)驗(yàn)平臺

伴隨著管殼式換熱器的普遍應(yīng)用，兩相流動(dòng)及沸騰換熱特性的研究越來越得到各國學(xué)者們的重視。兩相流動(dòng)及沸騰廣泛存在于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中，如工業(yè)鍋爐設(shè)備中，水經(jīng)過軟化后通過電加熱或者化石燃料燃燒加熱沸騰，氣化為水汽兩相狀態(tài)，過熱的飽和蒸汽經(jīng)過汽包，送至各類用戶；產(chǎn)熱電站及動(dòng)力站也是通過各類熱源的作用，使得原始介質(zhì)發(fā)生相變產(chǎn)生兩相或者多相介質(zhì)直接或者間接作為動(dòng)力及發(fā)電源動(dòng)力；汽輪機(jī)、核反應(yīng)堆堆芯、蒸汽發(fā)生器等等同樣伴隨著各類氣液兩相或者多相流動(dòng)及沸騰換熱現(xiàn)象。

一、氣液兩相流理論分析模型

（一）均相流模型

均相流模型是最簡單的物理模型，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。將氣液兩相流混合物看做是一種均勻介質(zhì)，混合物的物性參數(shù)即兩相介質(zhì)各自參數(shù)的平均值。運(yùn)用一般流體力學(xué)的研究方法，對氣液混合物的平均流動(dòng)特性進(jìn)行確定和描述。該模型基于以下幾項(xiàng)基礎(chǔ)的假設(shè)：

1.氣液兩相的流速相等，故滑動(dòng)比，滑差，流動(dòng)密度都相等，把氣液兩相流體看作均勻流。

2.氣液兩相混合物處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。即氣液兩相的溫度是相等的，且不存在熱量傳遞。

3.兩相流的摩擦系數(shù)基于單相流摩擦系數(shù)，且氣液兩相混合物物理特性遵循等熵變化。

這種均相模型一般適用于高速高壓條件下的泡狀流和霧狀流。這是由于在一般實(shí)際情況下，兩相流速是不可能相同的。只有在高速高壓下兩相流質(zhì)混合才更加均勻。由于假設(shè)兩相之間速度是相同的，其與實(shí)驗(yàn)計(jì)算值誤差較大，隨著質(zhì)量流量的減小偏差逐漸增大。所以準(zhǔn)確確定氣液兩相混合物的平均物理特性對于選擇模型十分重要。

（二）分相流模型

分相流模型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。分相流模型將氣液兩相流的兩相分別看作連續(xù)的有自身平均流速的單獨(dú)流體，即氣液介質(zhì)有各自的物性參數(shù)，當(dāng)氣液兩相流速相等時(shí)就成為了均相流模型。這種模型還考慮到了兩相間的相互作用，分別對氣液兩相進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量、能量的守恒計(jì)算，并且還考慮了兩相間三種物理量的交換[ ]。故該模型適合模擬計(jì)算氣液兩相流各種復(fù)雜工況。該模型基于以下幾項(xiàng)基礎(chǔ)的假設(shè)：

1.氣液兩相速度分別為恒定常量，按各自平均流速流動(dòng)。

2.氣液兩相間雖存在質(zhì)量、動(dòng)量、能量傳遞，單兩者保持熱力學(xué)平衡。

3.運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式將氣液兩相間的空泡份額和摩擦因子和各自流體流動(dòng)的物性參數(shù)變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

因?yàn)閷庖簝上嗔髦g的相互作用考慮在內(nèi)，所以模擬計(jì)算成果較均相模型更加精確，故適用于較為復(fù)雜的環(huán)狀流或分層流。但對于兩相介質(zhì)建立守恒方程時(shí)，需要考慮很多附加的因素和方程關(guān)系式，故帶來計(jì)算量大，求解困難的問題。在此基礎(chǔ)上只有對各部分流體流動(dòng)機(jī)理，結(jié)構(gòu)關(guān)系準(zhǔn)確了解，才能提高計(jì)算精度。

（三）漂移流模型

漂移流模型是一種同時(shí)彌補(bǔ)均相流模型和分相模型缺陷的物理模型。它以熱力學(xué)平衡的假設(shè)和氣液兩相平均的速度場為基礎(chǔ)，兼顧考慮了均相流未考慮兩相介質(zhì)間相互作用，和分相流模型過分分離兩相分別介質(zhì)流動(dòng)特性，而與實(shí)際氣液兩相流動(dòng)之間存在的偏差。該模型展現(xiàn)了一個(gè)全新概念：漂移速度，即假設(shè)兩相介質(zhì)以某一個(gè)混合的速度流動(dòng)時(shí)，氣相向前或向后相對這個(gè)混合的速度存在有一個(gè)漂移速度，故氣相對液相具有相反的漂移速度，從而保持了連續(xù)流動(dòng)特性。在前兩種物理模型基礎(chǔ)上，考慮了空隙率和流速在流動(dòng)分布規(guī)律，重點(diǎn)描述了氣液兩相間的相對運(yùn)動(dòng)。漂移模型除了質(zhì)量、能量、動(dòng)量基本守恒方程外，還包括一個(gè)混合動(dòng)量和一個(gè)兩相間相對運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能方程。其運(yùn)用漂移速度來描述兩相介質(zhì)間的相對速度，并通過附加的連續(xù)性方程體現(xiàn)氣液兩相流的流動(dòng)工況[ ]。

漂移流模型既有均相流模型求解簡便的特點(diǎn)，同時(shí)也可以對氣液兩相局部特性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。因此該模型具體較強(qiáng)的適應(yīng)性和普遍性，且在彈狀流等某些特定場合，模擬計(jì)算結(jié)果更加精確。

（四）雙流體模型

流體流模型是一種運(yùn)用歐拉和拉格朗日方法描述氣液兩相流體流動(dòng)工況的模型，結(jié)構(gòu)示意圖3。分別將氣液兩相都看成整個(gè)流場中的連續(xù)性介質(zhì)，在對兩相分別列出三大基本守恒基礎(chǔ)上，考慮相變因素以及兩相界面之間的相互作用力而產(chǎn)生的三大基本量的變化傳遞，同時(shí)結(jié)合連續(xù)力學(xué)將氣液兩相建立的兩組方程組進(jìn)行耦合。此種方式可以考慮到瞬態(tài)流動(dòng)的結(jié)構(gòu)以及各離散相運(yùn)輸過程中復(fù)雜的互相作用，由于數(shù)學(xué)關(guān)系式具有一定程度的非確定性，所以雙流體模型的提出必須進(jìn)行以下假設(shè)[ ]：

1.氣液兩相流過程中，氣相和液相連續(xù)流體在計(jì)算區(qū)域的任意一點(diǎn)，以及時(shí)間與空間范圍內(nèi)都可以共同存在并且相互滲透，但各有其自身的物理特征，如速度，濃度，溫度等。

2.氣液兩相流連續(xù)流動(dòng)中，由于發(fā)生相變、流動(dòng)間存在阻力、存在溫差及自身湍流作用而引起的質(zhì)量、動(dòng)量、能量的交換及相互作用，在流場中具有連續(xù)的速度分布，體積分布，溫度分布。

該模型只需假設(shè)氣液兩相流體充滿流場且連續(xù)，可以研究任何流型的兩相流。但是它既克服了均相模型沒有考慮兩相的差異，分相和漂移模型對兩相相互作用描述過于淺顯的缺點(diǎn)。但計(jì)算方面較為復(fù)雜，計(jì)算量較大，變量也較多。

二、實(shí)驗(yàn)平臺

在氣液兩相流動(dòng)沸騰換熱理論方面，國內(nèi)外學(xué)者近年來大多專注于沸騰過程中氣化核心形成及發(fā)展機(jī)理的研究：包括氣泡的尺寸、密度、變化規(guī)律等，同時(shí)通過改變壓降、熱流密度、質(zhì)量流速等參數(shù)進(jìn)一步探索沸騰換熱的機(jī)理和影響沸騰換熱的實(shí)質(zhì)原因。

在氣液兩相沸騰實(shí)驗(yàn)方面，國內(nèi)外學(xué)者主要從換熱機(jī)理出發(fā)通過改變管束結(jié)構(gòu)尺寸、流量、入口干度、雷諾數(shù)、溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式和修正關(guān)聯(lián)式。同樣為工業(yè)換熱器的設(shè)計(jì)，制造，運(yùn)營等提供理論支撐。

目前，國家化工設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的換熱實(shí)驗(yàn)平臺，配備了齊全的換熱實(shí)驗(yàn)設(shè)備，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括單相、沸騰、冷凝等實(shí)驗(yàn)?zāi)K，可研究在不同實(shí)驗(yàn)條件及不同規(guī)格的換熱管下，氣液兩相流的流動(dòng)與沸騰換熱特性。

三、結(jié)論

本文介紹了氣液兩相流理論分析模型，及國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)平臺。換熱實(shí)驗(yàn)平臺可開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，一方面可以與計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，提高研究效率，另一方面可針對兩相流沸騰，探究換熱管內(nèi)流體的流動(dòng)和換熱特性，將相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總，得到兩相沸騰傳熱及流動(dòng)特性相應(yīng)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則數(shù)的擬合，為工業(yè)生產(chǎn)提供一定理論和實(shí)驗(yàn)支撐。