注蒸汽井筒中的多相流動規(guī)律研究與應用

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1、2．1管道中氣液兩相流動的基本控制方程對于在特定流道中流動的氣液兩相流動，氣、液交界面的分布可以是無數個可能的形狀中的任何一個，從而使該問題的理論描述變得異常復雜。處理氣液兩相流時，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：爭和：跨越界面的突躍條件∑耳=0(2-6)式中A，為體積V內的瞬時界面面積，m2；《為k相的界面質量傳遞，kg／s．ITl3；M；為k相的界面動量傳遞，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相的壁面剪應力，N／m2；f：為k相的界面剪應力，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相通過壁面的外加熱流密度，W／m2；87g；為k相通過界面的熱流密度，W／m2。2．2管道中氣液兩相流動混合物平衡方程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，氣液物質在流動過程中均勻混合地分布在流場中，氣液介質問沒有明顯的界面，流動性質與單相流動相似，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，或稱均相流模型。對傾角為0定常汽液兩相管道流動，質量守恒方程、動量守恒方程、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為壁面剪切應力，N／m2；z為流道的周界長，m。毒為經流道壁面進入系統(tǒng)的熱流密度，W／m2；g，為單位體積的內熱發(fā)生率，W／m3。2．分相流模型把多相流動看成為各相分開的流動，介質參數分別取各自獨立的物性參數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力特性方程式。這就需要預先確定各相占有過流段面的份額(即真實含氣率)以及介質與管壁的摩擦阻力和各相介質之間的摩擦阻力。對傾角為毋，

5、定常氣液兩相管道流動，質量守恒方程、動量守恒方程、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{(喜級心]彳孚)+g(喜風％]么s血伊=宣zc2-，2，式中rh。為每單位長度上液體轉變?yōu)闅怏w的速率；口為為表面熱流密度，W／m2；r。為壁面切應力，N／m2；z為為界面周長，m。壁面摩擦力系數五、傳熱系數u、干度x、空隙率矽都與兩相流的流型有關，尚無具有普適性的得到公認的解析表達式。本論文通過實驗和現場測試數據，得到了它們與流型之間的關系。

6、3多相流實驗研究根據不同的對象選取合適的無因次準則數展開模擬實驗研究。本文針對井筒氣液兩相流問題進行實驗模擬分析并介紹相應的室內實驗研究和現場測試結果。3．1室內實驗(1)實驗裝置根據上述實驗模擬相似條件的分析，選擇實驗條件和參數，建立實驗裝置(如圖3．1所示)，開展氣液兩相流的室內實驗。通過傾斜管氣液兩相流動實驗，測量流動過程中的流型、空隙率、壓降、流量等多相流動參數，依據流體力學的基本原理，建立不同傾斜角度下的流型轉變準則及持液率、摩阻系數的計算方法。(2)實驗數據實驗所采用的兩相介質分別為空氣

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)，不同實驗管路的傾角(O。、士150、士300、士45。、土600、士750、士900)模擬不同流型共進行了6287組實驗，獲得144601個原始數據。圖3-1多相流實驗裝置示意圖3．2．實驗結果分析3．2．1．流動型態(tài)傾斜管的多相流動，流態(tài)的劃分還是一個尚無定論的問題。本文根據水平管道和垂直管道多相流型的

8、劃分方法來定義傾斜管道中的流型。流型劃分的基本原則有兩類：一是根據多相介質相(氣相或液相)的拓撲分布結構來劃分；二是根據數學處理的方便程度(即數學上可用類似或近似的處理方法)來劃分流型‘41。兩類流動型態(tài)的劃分方法如表3。1。表3-1兩類流動型態(tài)的劃分方法的對應關系第一類劃分方法(共七種)第二類劃分方法(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)狀流分離流通過無量綱參數分析發(fā)現Froude數Fr與入口體積含液率E之間有很大的相關性。這樣，我們以