汽液两相流的基本参数

11.1.3　汽液两相流的基本参数

单相流体的基本流动特性可以用速度和流量两个参数来描述。锅炉的蒸发受热面中流动的是汽液两相混合物，随着蒸汽含量的增加，其比容和流速不断发生变化，并且汽液两相之间存在相对速度。为了研究两相流体的流动特性，需要建立新的流动特性参数。

1.流量参数

（1）汽液两相流体的质量流量

单位时间通过管道流通截面积的汽液两相流体的质量称为汽液两相流体的质量流量Gh，其值为蒸汽质量流量G_q和水质量流量G_s之和，即

（2）汽液两相流体的容积流量

单位时间通过管道流通截面积的汽液两相流体的容积称为汽液两相流体的容积流量Q_h，其值为蒸汽容积流量Q_q和水容积流量Q_s之和，即

式中：v′和v″分别为饱和水及饱和蒸汽的比容，m³/s。

（3）循环流速

流量等于管内汽液两相流体质量流量Gh的饱和水流量G0，通过整个管道截面f时的水速称为循环流速w₀，即

在各种蒸汽锅炉中，蒸发管入口的水接近于饱和水，一般认为进入蒸发管的水速即等于循环流速，相应的质量流量G₀即为循环流量。

（4）质量流速

通过管子单位流通面积的工质质量流量称为质量流速ρw，即

根据质量守恒定律，在稳定流动时，无论受热与否，如管子截面不变，工质流经管子任一截面的质量流速均相等，即ρw＝常数。

（5）折算流速

在汽液两相流体中，假设蒸汽或水单独占据管子全部流通截面积时的流速分别称为折算汽速w″₀或折算水速w′₀，按以下两式确定

这两种折算速度在实际中都不存在，也不可测量，在两相流体力学中用于分析某一相单独流过管子截面时的压降。受热的蒸发管内由于存在相变，此两值沿管长不断变化。

需要特别指出，循环流速、质量流速、以及折算流速三个参数虽然都称为速度，但是它们都是代表流量的参数。

2.速度参数

（1）汽液两相流体的混合流速

通过管子单位流通截面积的工质容积流量称为混合流速w_h，即

根据质量守恒定律，由质量流速定义

可得

（2）实际流速

在汽液两相流体中，通过管子蒸汽流通截面积f″的蒸汽容积流量称为蒸汽的实际流速w″_sj，通过管子水流通截面积f′的水的容积流量称为水的实际流速w′_sj，按以下两式确定

（3）相对速度与滑移比

在汽液两相流体中，蒸汽实际流速与水的实际流速之差称为相对速度w_xd，蒸汽实际流速与水的实际流速之比称为滑移比S，按以下两式确定

当蒸汽的实际速度大于水的实际速度时，w_xd＞0，S＞1；反之，w_xd＜0，S＜1；当两者的速度相等时，w_xd＝0，S＝1。

3.含汽率

（1）质量含汽率

汽液两相流体中，蒸汽质量流量所占混合物质量流量的份额称为质量含汽率x，也称为蒸汽干度。当双相流体完全处于热力学平衡状态时

对于受热蒸发管，质量含汽率也可用热物性参数来表示，称热力学含汽率，也称为沸腾度。在蒸发管任一截面建立热平衡方程，可得

式中：i为任一截面工质比焓，kJ/kg；i′为工质饱和水比焓，kJ/kg；r为汽化潜热，kJ/kg。这样表示的质量含汽率有利于分析受热工质的状态，当x＜0，工质处于未饱和水（过冷沸腾）区；0≤x≤1，处于饱和沸腾区；x＞1，处于过热蒸汽区。

受热蒸发管中入口的水量G₀与产生的蒸汽量D的比值，称为循环倍率K，为质量含汽率的倒数，即

将式（11.13）代入式（11.8），可得混合流速与质量含汽率之间的关系式

（2）容积含汽率

汽液两相混合流体中，蒸汽容积流量所占混合物容积流量的分额称为容积含汽率β，即

将式（11.8）和式（11.13）代入上式，可得出容积含汽率与质量含汽率之间的关系

（3）截面含汽率

用平均流量概念表示的质量含汽率x或容积含汽率β采用的是均相流模型，没有考虑汽水之间实际存在的相对速度，因此都没有反映管内混合物真正的蒸汽含量，它们都只反映了水速与汽速相等条件下的含汽率。反映蒸发管某截面上工质的真实含汽率称为截面含汽率，又称真实容积含汽率，采用的是分相流模型，需要用试验确定，其值为汽液两相流体中，某一管道截面上蒸汽流通截面积与整个管道截面的比值，即

该值需要通过试验来确定。将式（11.5a）、式（11.5b）、式（11.9）、式（11.10）、式（11.12）、式（11.17）和式（11.18）的关系应用到上式，可得

上式表明了截面含汽率与质量含汽率或容积含汽率之间的关系。为了分析相对速度对含汽率的影响，应用式（11.5a）、式（11.5b）和式（11.9）、式（11.10），将式（11.19）改写为

式中系数C＝也反映出汽水间存在的相对速度，可由试验确定。该式表明，汽速与水速度相等时，C＝1，＝β；在向上流动中，由于蒸汽的流速比水快，因此C＜1，＜β；在向下流动时，由于汽泡受到浮力的作用，蒸汽的流速应当比水慢，即满足C＞1，＞β的关系。但在实际情况下的向下流动，当β值小于某一界限β_jx值时，＞β；而当β值超过β_jx值时，则有＜β，即值并不总是大于β值，其机理尚不完全清楚。一般来说，随着压力提高，汽水之间密度差减小，相对速度减小；循环流速度增加，相对速度的影响减小，向上流动中的值增大，向上流动中和向下流动中的值趋近于β值。质量含汽率x增大，则值增大，当x＝1.0时，值也等于1.0。试验表明，管壁粗糙度对垂直向上流动工况的值没有影响，在垂直下降流动时，相对粗糙度的增大可使值明显降低。当循环流速增大时，相对粗糙度的影响减小。

4.密度

汽液两相流体中，工质的质量流量与容积流量的比值称为汽水混合物密度ρ_h，即

将式（11.18）代入上式，可得

在一长为Δl的微元管段上，单位微元管段容积具有的混合工质质量称为汽水混合物实际密度ρ_hsj，即

由此得出汽水混合物的实际流速w_hsj为

应用上列各式，也可将这些特性参数表达为其它关系式。