第2章-气液两相流的模型ppt课件

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1、 多相管流理论与计算多相管流理论与计算第二章 气液两相流的模型 气气液液两两相相流流动动的的规规律律较较单单相相流流复复杂杂得得多多,常常采采用用简简化化的的流流动动模模型型进进行行处处理理，以以便便探探讨讨其其流流动动规规律律。常常用用的的模模型型有有均均相相流流动动模模型型、分分相相流流动动模模型型和和漂漂移移流流动动模模型、流动型态模型型、流动型态模型等。等。第二章 气液两相流的模型 气液两相流动的规律较单相流 多相管流理论与计算多相管流理论与计算第一节 均相流动模型（1）气相和液相的实际速度相等，即）气相和液相的实际速度相等，即（2）两相介质已达到热力学平衡状态，压力、）两相介质已达到

2、热力学平衡状态，压力、密度互为单值函数。密度互为单值函数。对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正对于层状流、波状流和环状流，则误差较大对于层状流、波状流和环状流，则误差较大两个假定两个假定特点特点定义：把气液两相混合物看成均匀介质，其物定义：把气液两相混合物看成均匀介质，其物 性参数取两相的均值而建立的模型性参数取两相的均值而建立的模型第一节 均相流动模型（1）气相和液相的实际速度相等，即对 多相管流理论与计算多相管流理论与计算两相流基本方程式以单相流基本方程式为基础。单两相流基本

3、方程式以单相流基本方程式为基础。单相流基本方程式理论上总结为三个基本方程式：相流基本方程式理论上总结为三个基本方程式：连续性方程连续性方程动量方程动量方程能量方程能量方程质量守恒质量守恒动量守恒动量守恒能量守恒能量守恒两相流基本方程式以单相流基本方程式为基础。单相流基本方程式理 多相管流理论与计算多相管流理论与计算一、均流模型的基本方程式一、均流模型的基本方程式1连续方程式连续方程式根据质量守恒定律根据质量守恒定律2动量方程式动量方程式取一维流段来研究，取一维流段来研究，根据动量根据动量定理，可得动量方程式：定理，可得动量方程式：稳定的一维均相流动2-2一、均流模型的基本方程式1连续方程式根据

4、质量守恒定律2动 多相管流理论与计算多相管流理论与计算3能量方程式能量方程式根据机械能守恒定律，有根据机械能守恒定律，有密度密度可用两相混合物的比容可用两相混合物的比容 表示为表示为所以所以则能量方程式为则能量方程式为dE 单位质量两相流体单位质量两相流体的机械能损失的机械能损失2-32-53能量方程式根据机械能守恒定律，有密度可用两相混合物的比 多相管流理论与计算多相管流理论与计算压差的表达式压差的表达式二、均流模型的压力梯度微分方程式在动量方程式中在动量方程式中流体与管壁的剪切应力流体与管壁的剪切应力2-72-6压差的表达式二、均流模型的压力梯度微分方程式在动量方程式中流 多相管流理论与计

5、算多相管流理论与计算其中代入代入2-7得得 f 范宁摩阻系数范宁摩阻系数 摩擦阻力系数摩擦阻力系数穆迪（穆迪（Moody）图）图 层流区层流区单位体积流体的动能其中代入2-7得 f 范宁摩阻系数 摩擦阻力 多相管流理论与计算多相管流理论与计算所以2-132-11所以2-132-11 多相管流理论与计算多相管流理论与计算由于假定两相流动已达到热力学平衡状态由于假定两相流动已达到热力学平衡状态因因则则所以所以2-15由于假定两相流动已达到热力学平衡状态因则所以2-15 多相管流理论与计算多相管流理论与计算将将dF、Gdv的表达式代入动量方程式，的表达式代入动量方程式，得得两边同除两边同除 得得将d

6、F、Gdv的表达式代入动量方程式，得两边同除 多相管流理论与计算多相管流理论与计算整理可得整理可得因许多参数因许多参数f 、沿程变化，无法用解析法积分，沿程变化，无法用解析法积分，得用差分法分段计算得用差分法分段计算压力梯度微分方程式整理可得因许多参数f、沿程变化，多相管流理论与计算多相管流理论与计算三、三、气液两相流能量平衡方程建立气液两相流能量平衡方程建立1能量平衡方程推导能量平衡方程推导根据能量守衡定律写出两个根据能量守衡定律写出两个流动断面间的能量平衡关系流动断面间的能量平衡关系倾斜管流能量平衡关系示意图三、气液两相流能量平衡方程建立1能量平衡方程推导根据能量守 多相管流理论与计算多相

7、管流理论与计算此式除内能U外，其它参数可测得动能势能膨胀能内能 U倾斜管流能量平衡关系示意图此式除内能U外，其它参数可测得动能势能膨胀能内能 U倾 多相管流理论与计算多相管流理论与计算于是得能量平衡方程式差分形式于是得能量平衡方程式差分形式将所得能量平衡方程式写成微分形式：将所得能量平衡方程式写成微分形式：于是得能量平衡方程式差分形式将所得能量平衡方程式写成微分形式 多相管流理论与计算多相管流理论与计算内能内能U虽然不能直接测量和计算其绝对值，但可求得两种状虽然不能直接测量和计算其绝对值，但可求得两种状态下的相对变化。根据热力学第一定律，对于可逆过程：态下的相对变化。根据热力学第一定律，对于可

8、逆过程：或或而对于不可逆过程来讲：而对于不可逆过程来讲：以以 表示摩擦消耗的功，则表示摩擦消耗的功，则:摩擦产生的热量 摩擦消耗的功代入代入 并整理得并整理得内能U虽然不能直接测量和计算其绝对值，但可求得两种状态下的相 多相管流理论与计算多相管流理论与计算两边同除以两边同除以总压力降总压力降动能损失动能损失重位损失重位损失摩擦损失摩擦损失两边同除以总压力降动能损失重位损失摩擦损失 多相管流理论与计算多相管流理论与计算由并取为正值由并取为正值 多相管流理论与计算多相管流理论与计算对于水平管流对于垂直管流以h表示高度x表示流向坐标讨论讨论对于水平管流对于垂直管流以h表示高度x表示流向坐标讨论 多相

9、管流理论与计算多相管流理论与计算对于多相混合物通用表达式，求解的关键是确定 、及 对于多相通用表达式，求解的关键是确定 、多相管流理论与计算多相管流理论与计算2部分相关参数的计算部分相关参数的计算（1 1）两相介质的平均密度）两相介质的平均密度在在均均流流模模型型中中，两两相相介介质质的的密密度度取取气气液液两两相相密密度度的的平平均均值值，而求其平均值的主要以下两种而求其平均值的主要以下两种按体积含气率按体积含气率计算计算按空隙率计算按空隙率计算流动密度流动密度(无滑脱密度无滑脱密度)真实密度真实密度(有滑脱密度有滑脱密度)滑脱损失实际上属于重力损失2部分相关参数的计算（1）两相介质的平均密

10、度在均流模型中，多相管流理论与计算多相管流理论与计算（2 2）两相介质的平均粘度）两相介质的平均粘度在在均均流流模模型型中中，两两相相介介质质的的粘粘度度是是气气液液两两相相粘粘度度的的平平均均值值，而而求求其其平平均均值值的的方方法法很很多多，常常用用的的有有以下几类以下几类按质量含气率按质量含气率计算计算西克奇蒂公式西克奇蒂公式麦麦克克亚亚当当斯斯公公式式杜克勒公式杜克勒公式戴维森公式戴维森公式（2）两相介质的平均粘度在均流模型中，两相介质的粘度是气液两 多相管流理论与计算多相管流理论与计算各有特色和适用范围按空隙率计算按空隙率计算按体积含气率按体积含气率计算计算各有特色和按空隙率计算按体

11、积含气率 多相管流理论与计算多相管流理论与计算（3 3）均流模型摩擦阻力折算系数）均流模型摩擦阻力折算系数按按均均流流模模型型进进行行气气液液两两相相流流动动摩摩阻阻压压差差计计算算时时，常常把把两两相相流流动动摩摩擦擦阻阻力力的的计计算算与与单单相相流流动动摩摩擦擦阻阻力力的的计计算算关关联联起起来来，即即常常使使用用全液相折算系数全液相折算系数、分液相折算系数分液相折算系数或或分气相折算系数分气相折算系数。全液相折算系数全液相折算系数水水平平管管道道内内的的两两相相流流动动,均均匀匀流流动动，管管径径为为D，截截面面积积为为A，流流段段长长度度为为dz。速速度度v沿沿流流程程不不变变，质质

12、量量流流量量为为G，此此时，没有重位压差与加速度。时，没有重位压差与加速度。且两相流动（3）均流模型摩擦阻力折算系数按均流模型进行气液两相流动摩阻 多相管流理论与计算多相管流理论与计算定义全液相折算全液相折算系数系数单相流的摩擦力单相流的摩擦力全液相流动全液相流动设管道的设管道的D、A和和dz不变，通过管道的质量流不变，通过管道的质量流量仍为量仍为G，但流体为单一的液体，没有气相，但流体为单一的液体，没有气相，此时的流体密度为此时的流体密度为 ，速度为，速度为 定义全液相折算单相流的摩擦力全液相流动设管道的D、A和dz不 多相管流理论与计算多相管流理论与计算分液相折算系数分液相折算分液相折算系

13、数系数单相液流的摩擦力单相液流的摩擦力分液相流动分液相流动分液相折算系数分液相折算单相液流的摩擦力分液相流动 多相管流理论与计算多相管流理论与计算分气相折算系数分气相折算分气相折算系数系数单相气流的摩擦力单相气流的摩擦力分气相流动设设管管道道的的D、A和和dz 不不变变，通通过过管管道道的的流流体体为为单单一一的的气气体体，其其质质量量流流量量等等于于两两相相流流动动中中气气相相的的质质量量流流量量。此此时时的的流流体体密密度度为为 ，速度为，速度为 分气相折算系数分气相折算单相气流的摩擦力分气相流动设管道的D 多相管流理论与计算多相管流理论与计算 由由于于 、和和 ，都都是是单单相相流流动动

14、的的范范宁宁系系数数，很很容容易易求求得得。所所以以引引入入折折算算系系数数的的实实质质是是将将求求解解两两相相流流动动的的范范宁宁系系数数 与与摩摩阻阻压压差差 的的问问题题转转化化为为求求折折算算系系数数的的问问题题。只只要要用用实实验验方方法法求求得得任任意意一一个个折折算算系系数数，就就可可以以方便地求得两相流动的方便地求得两相流动的 和和 。由于 、和 ，都是单相流动的范宁系数，多相管流理论与计算多相管流理论与计算第二节 分相流动模型 分相流动模型简称分流模型。分相流动模型简称分流模型。它是把气液两相流动看成为气、液相各它是把气液两相流动看成为气、液相各自分开的流动，每相介质都有其平

15、均流速和独立的物性参数。因此自分开的流动，每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。因此需要建需要建立每一相介质的流体动力特性方程式立每一相介质的流体动力特性方程式。这就要求预先确定每一相占有过流。这就要求预先确定每一相占有过流断面的份额（即断面的份额（即真实含气率真实含气率）以及）以及介质与管壁的摩擦力和两相介质之间的介质与管壁的摩擦力和两相介质之间的摩擦阻力摩擦阻力，这些数据目前主要是利用试验研究所得的经验关系式。，这些数据目前主要是利用试验研究所得的经验关系式。分流模型的基本假设是：分流模型的基本假设是：(1)(1)两相介质有各自的按所占断面积计算的断面平均流速；两相介质有各自的按所占断面

16、积计算的断面平均流速；(2)(2)虽虽然然两两相相介介质质之之间间可可能能有有质质量量交交换换，但但两两相相之之间间处处于于热热力力学学平平衡衡状状态态，压力和密度互为单值函数。压力和密度互为单值函数。分流模型适用于层状流、波状流和环状流。分流模型适用于层状流、波状流和环状流。第二节 分相流动模型 分相流动模型简称分流模 多相管流理论与计算多相管流理论与计算1、连续方程式、连续方程式稳稳定定的的一一维维分分相相流流动动，取取一一维维流流段段dz来来研研究究，其其直直径径为为D，过过流流断面的面积为断面的面积为A，如图所示。，如图所示。根据质量守恒定律，有根据质量守恒定律，有G=常数常数一、分相

17、模型的基本方程式一、分相模型的基本方程式稳定的一维分相流动1、连续方程式稳定的一维分相流动，取一维流段dz来研究，其直 多相管流理论与计算多相管流理论与计算2、动量方程式、动量方程式则气相的动量方程式为：则气相的动量方程式为：忽略高次微量稳定的一维分相流动气体和液体与管壁的摩擦力两相界面上的切应力2-422、动量方程式则气相的动量方程式为：忽略高次稳定的一维分相流 多相管流理论与计算多相管流理论与计算液相的动量方程为：液相的动量方程为：将两简化动量方程式相加，并考虑到将两简化动量方程式相加，并考虑到 得：得：2-43液相的动量方程为：将两简化动量方程式相加，并考虑到 多相管流理论与计算多相管流

18、理论与计算2-442-44 多相管流理论与计算多相管流理论与计算综合上述各式：两边同除以Adz，进一步整理，得：分分 流流 模模 型型 的的 动动 量量 方程方程 式式2-472-48综合上述各式：两边同除以Adz，进一步整理，得：分 流 模 多相管流理论与计算多相管流理论与计算三、能量方程式当介质不对外作功，均当介质不对外作功，均流模型的能量方程式可流模型的能量方程式可简化为简化为:对对于于分分流流模模型型来来说说，应应当当首首先先建建立立气气、液液各各相相的的能能量量方方程程式式，而而后后将将二二者者相相加加，以以求求得得两两相相流流动动的的总总能能量量方方程程式式。所所以以，对对总总质质

19、量量流流量量为为G的的两两相相流流动动而而言言，分分流流模模型型单单位位时间内的总能量方程式为时间内的总能量方程式为：2-6三、能量方程式当介质不对外作功，均流模型的能量方程式可简化为 多相管流理论与计算多相管流理论与计算进一步整理进一步整理上式上式进一步整理 多相管流理论与计算多相管流理论与计算用 除上式的各项，得：上上式式即即为为分分流流模模型型的的能能量量微微分分方方程程式式，式式中中 表表示示单单位位流流程程上上单单位位质质量量的的两两相相介介质质与与管管壁壁摩摩擦擦所所引引起起的的机机械械能能损损失失以以及及两两相相介介质质相相对对运运动动时时在在界界面面上上所引起的机械能损失。所引

20、起的机械能损失。用 除上式的各项，得：上式即为分流模型的能量微 多相管流理论与计算多相管流理论与计算第三节 漂移流动模型 漂漂移移流流动动模模型型简简称称漂漂移移模模型型，它它是是1965年年由由朱朱伯伯(Zuber)和和芬芬德德莱莱(Findlay)针针对对均均流流模模型型、分分流流模模型型与与实实际际的的两两相相流流动动之间存在的偏差而提出的特殊模型。之间存在的偏差而提出的特殊模型。在在均均流流模模型型中中，没没有有考考虑虑两两相相间间的的相相互互作作用用，而而是是用用平平均均流流动动参参数数来来模模拟拟两两相相介介质质；分分流流模模型型中中，尽尽管管在在流流动动特特性性方方面面分分别别考

21、考虑虑了了每每相相介介质质以以及及两两相相界界面面上上的的作作用用力力，但但是是每每相相的的流流动动特特性性仍仍然然是是孤孤立立的的；而而在在而而在在漂漂移移流流动动模模型型中中，既既考考虑虑了了气气液液两两相相之之间间的的相相对对运运动动，又又考考虑虑了了空空隙隙率率和和流流速速沿沿过过流断面的分布规律。流断面的分布规律。第三节 漂移流动模型 漂移流动模型简称漂移模型，它是 多相管流理论与计算多相管流理论与计算一、漂移模型的主要参数1.漂移速度和漂移流率漂移速度和漂移流率气相的漂移速度气相的漂移速度液相的漂移速度液相的漂移速度对于均质混合物对于均质混合物流动流动局部速度局部速度局部空隙率局部

22、空隙率一、漂移模型的主要参数1.漂移速度和漂移流率气相的漂移速度 多相管流理论与计算多相管流理论与计算2.两种平均值 任意量任意量F 的的断面平均值断面平均值为：为：设设 为空隙率的为空隙率的局部值局部值，则，则两相流动中任意量下的两相流动中任意量下的加权平加权平均值均值为为：在漂移模型中，既要考虑两在漂移模型中，既要考虑两相之间的相对速度，又要考相之间的相对速度，又要考虑空隙率及速度沿断面的分虑空隙率及速度沿断面的分布规律。泡流中的速度及浓布规律。泡流中的速度及浓度分布如图所示度分布如图所示：2.两种平均值 任意量F 的断面平均值为：设 为 多相管流理论与计算多相管流理论与计算二、漂移模型的

23、基本表达式 由气相漂移速度的定义，气相的局部速度由气相漂移速度的定义，气相的局部速度表示为：表示为：气相速度的断面平均值应为：气相速度的断面平均值应为：气相速度的加权平均值为：气相速度的加权平均值为：2-59二、漂移模型的基本表达式 由气相漂移速度的定义，气相的局部速 多相管流理论与计算多相管流理论与计算将将代入代入右边第一项的分子和分母同乘以右边第一项的分子和分母同乘以 2-62将代入右边第一项的分子和分母同乘以 2-62 多相管流理论与计算多相管流理论与计算定义分布系定义分布系数为：数为：分分布布系系数数表表示示两两相相的的分分布布特特性性，即即流流动动型型态态的的特特性性，当当空空隙隙率

24、率及及速速度度在在断断面面上上为均匀分布时，为均匀分布时，。定义分布系数为：分布系数表示两相的分布特性，即流动型态的特性 多相管流理论与计算多相管流理论与计算按照分布系数按照分布系数 的定义式，的定义式，2-62 式可以改写为：式可以改写为：按照加权平均值的定义式，按照加权平均值的定义式，上式可以进一步改写为：上式可以进一步改写为：基本表达式12-642-65按照分布系数 的定义式，2-62 式可以改写为：多相管流理论与计算多相管流理论与计算又因为又因为 气相折算速度气相折算速度 所以：所以：又因体积含气率又因体积含气率等号两边同除以 基本表达式基本表达式2又因为 气相折算速度 多相管流理论与

25、计算多相管流理论与计算基本表达式基本表达式3当使用漂移模型确定真实含气率时，必须知道分布系数当使用漂移模型确定真实含气率时，必须知道分布系数 和气相漂移速度的加权平值和气相漂移速度的加权平值 或气相漂移流率的断面平或气相漂移流率的断面平均值均值 。由于气液两相流动的复杂性，这个参数目前主。由于气液两相流动的复杂性，这个参数目前主要是根据精度有限的经验公式来计算。要是根据精度有限的经验公式来计算。定义定义:气相漂移流率气相漂移流率基本表达式3当使用漂移模型确定真实含气率时，必须知道分布系数 多相管流理论与计算多相管流理论与计算第四节 流动型态模型定义：定义：将气液两相流动分成几种典型的流动型态，

26、将气液两相流动分成几种典型的流动型态，按不同流动型态分别建立流动的机理模型按不同流动型态分别建立流动的机理模型依据：依据：不同的流动型态具有不用的流动机理，不同的流动型态具有不用的流动机理，同一种流动型态范围内，其流体力学特征基本相同同一种流动型态范围内，其流体力学特征基本相同 模型组成：模型组成：流型的判别方法，每一流型流动参数的计算方流型的判别方法，每一流型流动参数的计算方 法。法。流型分类：流型分类：可采用第一类方法，也可采用第二类方法。可采用第一类方法，也可采用第二类方法。第四节 流动型态模型定义：将气液两相流动分成几种典型的流动 多相管流理论与计算多相管流理论与计算特点针对性强，精确

27、度高针对性强，精确度高数学处理复杂，计算量大数学处理复杂，计算量大流型界限确定困难流型界限确定困难流动型态模型是已有计算模型的主体和未来的研究方向流动型态模型是已有计算模型的主体和未来的研究方向模型应用：模型应用：首先判别流型，再选择模型计算流动参数首先判别流型，再选择模型计算流动参数特针对性强，精确度高流动型态模型是已有计算模型的主体和未来的 多相管流理论与计算多相管流理论与计算 在在实实际际研研究究过过程程中中，不不仅仅要要根根据据所所研研究究的的问问题题选选择择合合适适的的多多相相流流计计算算模模型型，而而且且常常常常需需将将前前面面介介绍绍的的多多种种模模型型有有机机地地结结合合起起来

28、来使使用用，以以各各取取其其长长，获获得得尽尽可可能能精精确的计算结果。确的计算结果。例例如如：对对于于泡泡状状流流，可可以以选选用用均均流流模模型型建建立立其其压压降降基基本本微微分分方方程程式式，也也可可以以选选用用漂漂移移模模型型研研究究其其空空隙隙率率；对对于于环环状状流流，整整体体上上可可以以按按照照分分流流模模型型分分别别建建立立气气芯芯与与液液环环的的力力平平衡衡方方程程式式，而而对对于于含含液液滴滴的的气气芯芯，又又可可以以按按照均流模型处理。照均流模型处理。在实际研究过程中，不仅要根据所研究的问题选择合适的多 多相管流理论与计算多相管流理论与计算泡状流动泡状流动泡状流动 多相管流理论与计算多相管流理论与计算环状流动环状流动环状流动 多相管流理论与计算多相管流理论与计算均相流动模型的定义、假设和使用条件均相流动模型的定义、假设和使用条件流动型态模型的定义、原理及特点流动型态模型的定义、原理及特点漂移流动模型的特点、基本参数和应用方法漂移流动模型的特点、基本参数和应用方法多相管流计算通式多相管流计算通式本章小结本章小结分相流动模型的定义、假设、使用条件分相流动模型的定义、假设、使用条件均相流动模型的定义、假设和使用条件流动型态模型的定义、原理及