注蒸汽井筒中的多相流動(dòng)規(guī)律研究與應(yīng)用

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1、2．1管道中氣液兩相流動(dòng)的基本控制方程對(duì)于在特定流道中流動(dòng)的氣液兩相流動(dòng)，氣、液交界面的分布可以是無(wú)數(shù)個(gè)可能的形狀中的任何一個(gè)，從而使該問(wèn)題的理論描述變得異常復(fù)雜。處理氣液兩相流時(shí)，一般將相間界面視作非連續(xù)性表面。管道兩相流的一維模型控制方程為：質(zhì)量平衡去(蓯磯)+j1瓦a(觸剛t)=《(2-1)跨越界面的突躍條件要求∑《=o(2-2)動(dòng)量平衡擊(丸仇V。)+去魯(彳丸仇V；)+j1瓦a(彳丸Pk)+以歡R一署f，=M：(2-3)其中Mi=《△V：+籌-r：+魯魯(≯棚跨越界面的突躍條件∑M；=0(

2、2-4)能量平衡和。(”嘗+講斟訛卜訃挑腳：+和p5，其中E=釉+E卜升p：爭(zhēng)和：跨越界面的突躍條件∑耳=0(2-6)式中A，為體積V內(nèi)的瞬時(shí)界面面積，m2；《為k相的界面質(zhì)量傳遞，kg／s．ITl3；M；為k相的界面動(dòng)量傳遞，N／m3；乓為k相的界面能量傳遞，J／s·m3；c≯為k相的壁面摩擦周界，m；《為k相的界面周界，m；f≯為k相的壁面剪應(yīng)力，N／m2；f：為k相的界面剪應(yīng)力，N／m2；疋為k相的體積力(一般為重力加速度)，I'l'ff$2；h。：P。+p。／p。為k相的比焓，J／kg；g≯

3、為k相通過(guò)壁面的外加熱流密度，W／m2；87g；為k相通過(guò)界面的熱流密度，W／m2。2．2管道中氣液兩相流動(dòng)混合物平衡方程1．均相流模型上面建立的管道多相流一維平衡方程適合于一維多相流的普遍情況。但在有些情況下，氣液物質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中均勻混合地分布在流場(chǎng)中，氣液介質(zhì)問(wèn)沒(méi)有明顯的界面，流動(dòng)性質(zhì)與單相流動(dòng)相似，氣液兩相混合物就可被看做假想的單一流體，而成為單流體模型，或稱(chēng)均相流模型。對(duì)傾角為0定常汽液兩相管道流動(dòng)，質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程分別為--ai(A,ohv)：o(2．7)一老=了V

4、oX+瓦d帆V2)+印。sin伊(2—8)舭k+譬卅卻hvsinO+㈣小。陪9，式中A為管道截面積，m2；T0為壁面剪切應(yīng)力，N／m2；z為流道的周界長(zhǎng)，m。毒為經(jīng)流道壁面進(jìn)入系統(tǒng)的熱流密度，W／m2；g，為單位體積的內(nèi)熱發(fā)生率，W／m3。2．分相流模型把多相流動(dòng)看成為各相分開(kāi)的流動(dòng)，介質(zhì)參數(shù)分別取各自獨(dú)立的物性參數(shù)的多相流模型為分相流模型。為此，需要分別建立各相的流體動(dòng)力特性方程式。這就需要預(yù)先確定各相占有過(guò)流段面的份額(即真實(shí)含氣率)以及介質(zhì)與管壁的摩擦阻力和各相介質(zhì)之間的摩擦阻力。對(duì)傾角為毋，

5、定常氣液兩相管道流動(dòng)，質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程分別為：毫(扣。么)_0(2-10)一老=警+∞y；R喜丟+g靜橢口陋Ⅲ蘭[(砉反攻)4瓦]+芝{(喜級(jí)心]彳孚)+g(喜風(fēng)％]么s血伊=宣zc2-，2，式中rh。為每單位長(zhǎng)度上液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的速率；口為為表面熱流密度，W／m2；r。為壁面切應(yīng)力，N／m2；z為為界面周長(zhǎng)，m。壁面摩擦力系數(shù)五、傳熱系數(shù)u、干度x、空隙率矽都與兩相流的流型有關(guān)，尚無(wú)具有普適性的得到公認(rèn)的解析表達(dá)式。本論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，得到了它們與流型之間的關(guān)系。

6、3多相流實(shí)驗(yàn)研究根據(jù)不同的對(duì)象選取合適的無(wú)因次準(zhǔn)則數(shù)展開(kāi)模擬實(shí)驗(yàn)研究。本文針對(duì)井筒氣液兩相流問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析并介紹相應(yīng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。3．1室內(nèi)實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)M相似條件的分析，選擇實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)，建立實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3．1所示)，開(kāi)展氣液兩相流的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)傾斜管氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量流動(dòng)過(guò)程中的流型、空隙率、壓降、流量等多相流動(dòng)參數(shù)，依據(jù)流體力學(xué)的基本原理，建立不同傾斜角度下的流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則及持液率、摩阻系數(shù)的計(jì)算方法。(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)所采用的兩相介質(zhì)分別為空氣

7、和水，控制液體流量：0．2l~4。41xlO。m3／s，氣體流量：O～3．32×10。3m3／s(標(biāo)況)，空隙率：0～1，系統(tǒng)的平均壓力：O～1MPa條件下，模擬不同管徑下(20、40、60mm)，不同實(shí)驗(yàn)管路的傾角(O。、士150、士300、士45。、土600、士750、士900)模擬不同流型共進(jìn)行了6287組實(shí)驗(yàn)，獲得144601個(gè)原始數(shù)據(jù)。圖3-1多相流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖3．2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3．2．1．流動(dòng)型態(tài)傾斜管的多相流動(dòng)，流態(tài)的劃分還是一個(gè)尚無(wú)定論的問(wèn)題。本文根據(jù)水平管道和垂直管道多相流型的

8、劃分方法來(lái)定義傾斜管道中的流型。流型劃分的基本原則有兩類(lèi)：一是根據(jù)多相介質(zhì)相(氣相或液相)的拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)來(lái)劃分；二是根據(jù)數(shù)學(xué)處理的方便程度(即數(shù)學(xué)上可用類(lèi)似或近似的處理方法)來(lái)劃分流型‘41。兩類(lèi)流動(dòng)型態(tài)的劃分方法如表3。1。表3-1兩類(lèi)流動(dòng)型態(tài)的劃分方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系第一類(lèi)劃分方法(共七種)第二類(lèi)劃分方法(共三種)泡狀流、霧狀流分散流彈狀流、段塞流間歇流層狀流、波狀流、環(huán)狀流分離流通過(guò)無(wú)量綱參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)Froude數(shù)Fr與入口體積含液率E之間有很大的相關(guān)性。這樣，我們以