汽液两相流的流型

11.1.2　汽液两相流的流型

所谓流型也称为流动结构，实质上它是流体流动时的外在表现。在单相流中，把流型分为层流和湍流，这两种流型的水动力性质和传热特性都有非常大的不同，研究方法也有很大的差别。两相流的流动结构就是指两相流体在流道内流动时两相流体的速度分布和沿流道截面两个相的分布。掌握流型的重要性在于：不同的多相流流动结构具有不同的流体动力学和传热特性，因而研究并设法预测锅炉蒸发管中的汽液两相流流型，对于锅炉设备的热工设计和运行是十分重要的。

图11.2　受热垂直上升管汽液两相流流型

1.垂直管内汽液两相流体主要流型

受热垂直上升管内汽液两相流动的主要流型见图11.2所示。

（1）泡状流型

当汽液两相流体的质量含汽率较小时，从管壁汽化核心上形成并脱离的蒸汽以小汽泡形状分布于液相中，散布在整个管子截面上向上运动。直径在l　mm以下的细小汽泡近似球形，直径大于1mm的汽泡呈现多种多样的形状。

（2）弹状流型

管内的小汽泡随着含汽率的增加而合并成一系列头部为球形，尾部扁平，长度不等，形状如汽弹的大汽泡。弹状汽泡直径接近于管子的内径，占据了大部分管子截面。但汽弹与管壁之间仍存在一层缓慢流动的液膜，液膜中及两汽弹之间也可能夹有小汽泡。当管内汽速增大时，汽弹由于相互碰撞可能分裂成不规则形状的蒸汽块团。试验表明，弹状流型只出现在低压时，汽弹尺寸可达1m以上，并随压力增高而减小。压力大于10MPa时，弹状流型就会消失，其原因是汽水分界面上的表面张力随压力增高而减小。

（3）环状流型

当蒸汽含量更大时，弹状汽泡汇聚成汽柱沿着管子中心流动，而水形成环状沿着管壁流动。在环状流动时，管壁上液膜厚度可能比弹状时还厚得多，液膜中仍含有气化核心产生的细小汽泡。在汽相和液相的界面出现大的波浪，气流卷吸波峰的液体进入主流，在汽柱内形成大小不等的液滴，较大的液滴有时还聚合成团，细小液滴则形成长条纤维。

（4）液滴环状流型

在这种流型中，环状液膜随着含汽率的增大而减薄，热阻下降，从而抑制了汽泡在汽化核心中的生长，液膜中的汽泡消失。热量通过液膜导热传递到汽液分界面上，界面上的液体由于蒸发而产生蒸汽。由于这时的蒸汽流速非常高，中心汽流会从四周液膜表面上卷吸出许多细小的水滴散布在汽流中，随汽流一起运动。

（5）雾状流型

随着液膜表面的蒸发，中心汽流的速度更大，卷吸携带水量增加，管壁液膜不断减薄，最终由于蒸发导致水膜完全被蒸干或汽流将水膜撕破，形成许多细小液滴分布于蒸汽流中被带走，汽与水形成雾状流动。这种流型由于管壁上无液膜冷却，而蒸汽导热性能差，当热负荷较高或工质流速较低时易引起管壁超温而导致爆管，使受热蒸发管处于一种不安全的状态。

上述各种流型在受热蒸发管中往往是沿着管子长度依次出现的。受热垂直上升管中沸腾时的两相流流型随热负荷（热流密度）增加的变化见图11.3。在图中，温度低于饱和温度的水以固定流量进入各受热蒸发管。各蒸发管的热流密度依次自左往右逐渐增加。由图可见，随着热流密度的增大，各管中的工质沸腾点逐渐移向管子进口，各管中的流体也经由上述各种流型逐渐由单相水的流动一直发展到干饱和蒸汽和过热蒸汽的流动。

图11.3　受热垂直上升管中沸腾时的两相流流型随热流密度增加而变化的示意图

1—汽泡状沸腾开始线；2—汽泡状沸腾终止线；3—蒸干线；4—过热蒸汽线

汽液两相流体在垂直管内向下流动时流型的研究资料相对较少。由空气与水或其它液体的混合物作为工质得出的实验结果表明，下降流动时的流型类似于上升流动的流动结构，也出现泡状、弹状和环状等几种流型。与上升管不同的是，含汽率较小时的泡状流型中的小气泡主要聚集在管子中心区域向上运动。下降流动时，由于汽泡受到向上的浮力的作用，只有当水的速度大于汽泡的上浮的速度，汽泡才被带着向下流动。若混合物的流速较小，则汽泡可能发生停滞或上升。在压力为3～18MPa范围内，能将汽泡带着往下运动的最小流速约为0.2～0.1m/s。随着压力的增加，汽水密度差减小，最小流速也可取得小一些。

2.水平管内汽液两相流体主要流型

汽液两相流体在水平管中流动时，由于受到浮升力的影响，蒸汽多聚集在管子的上部，形成不对称的流动结构。随着汽水混合物流速较小或管子直径增大，这种不对称性更加明显。当汽水混合物的流速高时，流型与垂直上升管中基本相似；当流速减小到某一界限值时，将形成蒸汽在管子上部流动，水在管子下部流动，两相之间存在一平滑分界面的分层流型。

图11.4是受热水平管中汽液两相流体的流型示意图，主要分为泡状流型、塞状流型、弹状流型、波状流型、环状流型和分层流型6种，各种流型都显示出流动结构的不对称性。泡状流型与塞状流型表示不同蒸汽含量时的流动型态，弹状流型与塞状流型的差别在于汽弹的上部没有水膜，当汽弹被前后涌起的波浪扰动时，上部管壁周期性地受到润湿。波状流型是一种不稳定的分层流动，当气相流量较高时，汽水分界面上掀起扰动的波浪，管子上壁面间歇性地时而和蒸汽接触，时而和液膜接触。环状流型出现在更高汽相流量条件下，管子中部为带有液滴的汽柱，四周为液膜，底部的液膜较厚。各种流型的出现主要与汽水混合物的流速有关，当流速较高时，如进口水速大于1m/s，受热水平管内混合物的流型逐渐由泡状流、塞状流转变为较为对称的环状流，最后管子顶部全为汽而底部保持一薄层液膜；当流速很低时，如进口水速小于0.5m/s，沿工质流动方向上流型都是不对称的，在含汽率较大时形成波状流或分层流动，这时管子上部壁温周期性变化或持续处于高温状态，可能导致管壁产生疲劳或过热损坏，应力求避免。

图11.4　受热水平蒸发管汽液两相流流型

当汽水混合物的速度很小，蒸汽含量和管子直径大时可能产生分层流动。为了消除分层流动，首先要提高流速，保证汽水混合物的质量流速大于发生汽水分层时的界限质量流速。界限质量流速可查阅有关手册，见文献^［5，6］。其次，尽量避免水平布置而采用倾斜管。研究资料表明，增加倾斜管倾角将使分层流动的范围缩小，一般向上倾斜10°～15°的管内分层流动就很少发生，当水平倾角超过30°～60°，其流型即与垂直管相同。

3.研究两相流体的流动模型

研究两相流体的流动时常作如下一些简化：

（1）认为管内工质（无论是单相流体还是两相流体）的流动是一维流动

建立基本方程式时都只考虑工质的流速和压力在流动方向上有变化，在流通截面上各点的流速和压力都相同，对管道截面上各物理量采用一个平均的概念，如假想的平均流速概念。

（2）两相流体是不可压缩流体

即不仅将水看作不可压缩流体，蒸汽也被看作是不可压缩的。由于蒸汽的比容与压力有关，当汽水混合物在管道内流动时会产生压降，但此压降与它的绝对压力相比可以忽略，除非工质压降占绝对压力的分额较大时才考虑蒸汽的压缩性。因此，蒸汽的比容（和密度）可按管道的起点或终点的压力选取，不考虑沿管长压力变化对它们的影响。

目前，工程上研究两相流体的流动模型主要有两种：

①均相流模型。这种模型假定两相流体流动时非常均匀，可以看作是具有平均流体特性的均质单相流体，汽液两相之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。该模型可以应用单相流体的各种方程式，必要时借助于试验系数对方程式进行修正。这是一种简单的处理两相流动问题的方法，最适用于泡状流型，但实际工程中却被不加选择地广泛应用。

②分相流模型。这种模型假定两相流体流动时完全分开，它们各自以一种平均流速流动，即两相之间流速不等但已经达到热力动态平衡。这种模型可以对每一相流体写出一组基本方程式，或者将两相的方程式合并在一起，并应用经验关系式建立某一物理量与流动的独立变量之间的关系式。这种模型比较精确但是很复杂，最适宜用于环状流型。

有关两相流动的更多内容可参阅文献^［7，8］。