氣液兩相流理論分析模型及實驗平臺介紹

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，各模型的特點及適用條件，為實驗研究提供理論基礎(chǔ)。并介紹了國家化工設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心換熱實驗平臺，為氣液兩相流實驗研究提供支撐。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流；兩相流模型；實驗平臺

伴隨著管殼式換熱器的普遍應(yīng)用，兩相流動及沸騰換熱特性的研究越來越得到各國學(xué)者們的重視。兩相流動及沸騰廣泛存在于各個工業(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力及發(fā)電源動力；汽輪機、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。運用一般流體力學(xué)的研究方法，對氣液混合物的平均流動特性進行確定和描述。該模型基于以下幾項基礎(chǔ)的假設(shè)：

1.氣液兩相的流速相等，故滑動比，滑差，流動密度都相等，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，其與實驗計算值誤差較大，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，分別對氣液兩相進行質(zhì)量、動量、能量的守恒計算，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算氣液兩相流各種復(fù)雜工況。該模型基于以下幾項基礎(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。

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

3.運用經(jīng)驗關(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的物性參數(shù)變量進行關(guān)聯(lián)。

因為將氣液兩相流之間的相互作用考慮在內(nèi)，所以模擬計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，需要考慮很多附加的因素和方程關(guān)系式，故帶來計算量大，求解困難的問題。在此基礎(chǔ)上只有對各部分流體流動機理，結(jié)構(gòu)關(guān)系準確了解，才能提高計算精度。

（三）漂移流模型

漂移流模型是一種同時彌補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)流動特性，而與實際氣液兩相流動之間存在的偏差。該模型展現(xiàn)了一個全新概念：漂移速度，即假設(shè)兩相介質(zhì)以某一個混合的速度流動時，氣相向前或向后相對這個混合的速度存在有一個漂移速度，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分布規(guī)律，重點描述了氣液兩相間的相對運動。漂移模型除了質(zhì)量、能量、動量基本守恒方程外，還包括一個混合動量和一個兩相間相對運動的動能方程。其運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)氣液兩相流的流動工況[ ]。

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

（四）雙流體模型

流體流模型是一種運用歐拉和拉格朗日方法描述氣液兩相流體流動工況的模型，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，同時結(jié)合連續(xù)力學(xué)將氣液兩相建立的兩組方程組進行耦合。此種方式可以考慮到瞬態(tài)流動的結(jié)構(gòu)以及各離散相運輸過程中復(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)流體在計算區(qū)域的任意一點，以及時間與空間范圍內(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)流動中，由于發(fā)生相變、流動間存在阻力、存在溫差及自身湍流作用而引起的質(zhì)量、動量、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。但計算方面較為復(fù)雜，計算量較大，變量也較多。

二、實驗平臺

在氣液兩相流動沸騰換熱理論方面，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)展機理的研究：包括氣泡的尺寸、密度、變化規(guī)律等，同時通過改變壓降、熱流密度、質(zhì)量流速等參數(shù)進一步探索沸騰換熱的機理和影響沸騰換熱的實質(zhì)原因。

在氣液兩相沸騰實驗方面，國內(nèi)外學(xué)者主要從換熱機理出發(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)進行對比實驗，在實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)實驗范圍內(nèi)的準則關(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，制造，運營等提供理論支撐。

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

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)督檢驗中心實驗平臺。換熱實驗平臺可開展相應(yīng)的實驗研究，一方面可以與計算機模擬數(shù)據(jù)對比，驗證實驗的準確性，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)流體的流動和換熱特性，將相關(guān)實驗數(shù)據(jù)匯總，得到兩相沸騰傳熱及流動特性相應(yīng)關(guān)聯(lián)準則數(shù)的擬合，為工業(yè)生產(chǎn)提供一定理論和實驗支撐。