注蒸汽井筒中的多相流动规律研究与应用

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1、2．1管道中气液两相流动的基本控制方程对于在特定流道中流动的气液两相流动，气、液交界面的分布可以是无数个可能的形状中的任何一个，从而使该问题的理论描述变得异常复杂。处理气液两相流时，一般将相间界面视作非连续性表面。管道两相流的一维模型控制方程为：质量平衡去(苁矶)+j1瓦a(触刚t)=《(2-1)跨越界面的突跃条件要求∑《=o(2-2)动量平衡击(丸仇V。)+去鲁(彳丸仇V；)+j1瓦a(彳丸Pk)+以欢R一署f，=M：(2-3)其中Mi=《△V：+筹-r：+鲁鲁(≯棚跨越界面的突跃条件∑M；=0(

2、2-4)能量平衡和。(”尝+讲斟讹卜讣挑脚：+和p5，其中E=釉+E卜升p：争和：跨越界面的突跃条件∑耳=0(2-6)式中A，为体积V内的瞬时界面面积，m2；《为k相的界面质量传递，kg／s．ITl3；M；为k相的界面动量传递，N／m3；乓为k相的界面能量传递，J／s·m3；c≯为k相的壁面摩擦周界，m；《为k相的界面周界，m；f≯为k相的壁面剪应力，N／m2；f：为k相的界面剪应力，N／m2；疋为k相的体积力(一般为重力加速度)，I'l'ff$2；h。：P。+p。／p。为k相的比焓，J／kg；g≯

3、为k相通过壁面的外加热流密度，W／m2；87g；为k相通过界面的热流密度，W／m2。2．2管道中气液两相流动混合物平衡方程1．均相流模型上面建立的管道多相流一维平衡方程适合于一维多相流的普遍情况。但在有些情况下，气液物质在流动过程中均匀混合地分布在流场中，气液介质问没有明显的界面，流动性质与单相流动相似，气液两相混合物就可被看做假想的单一流体，而成为单流体模型，或称均相流模型。对倾角为0定常汽液两相管道流动，质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程分别为--ai(A,ohv)：o(2．7)一老=了V

4、oX+瓦d帆V2)+印。sin伊(2—8)舭k+譬卅却hvsinO+㈣小。陪9，式中A为管道截面积，m2；T0为壁面剪切应力，N／m2；z为流道的周界长，m。毒为经流道壁面进入系统的热流密度，W／m2；g，为单位体积的内热发生率，W／m3。2．分相流模型把多相流动看成为各相分开的流动，介质参数分别取各自独立的物性参数的多相流模型为分相流模型。为此，需要分别建立各相的流体动力特性方程式。这就需要预先确定各相占有过流段面的份额(即真实含气率)以及介质与管壁的摩擦阻力和各相介质之间的摩擦阻力。对倾角为毋，

5、定常气液两相管道流动，质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程分别为：毫(扣。么)_0(2-10)一老=警+∞y；R喜丢+g静椭口陋Ⅲ兰[(砉反攻)4瓦]+芝{(喜级心]彳孚)+g(喜风％]么s血伊=宣zc2-，2，式中rh。为每单位长度上液体转变为气体的速率；口为为表面热流密度，W／m2；r。为壁面切应力，N／m2；z为为界面周长，m。壁面摩擦力系数五、传热系数u、干度x、空隙率矽都与两相流的流型有关，尚无具有普适性的得到公认的解析表达式。本论文通过实验和现场测试数据，得到了它们与流型之间的关系。

6、3多相流实验研究根据不同的对象选取合适的无因次准则数展开模拟实验研究。本文针对井筒气液两相流问题进行实验模拟分析并介绍相应的室内实验研究和现场测试结果。3．1室内实验(1)实验装置根据上述实验模拟相似条件的分析，选择实验条件和参数，建立实验装置(如图3．1所示)，开展气液两相流的室内实验。通过倾斜管气液两相流动实验，测量流动过程中的流型、空隙率、压降、流量等多相流动参数，依据流体力学的基本原理，建立不同倾斜角度下的流型转变准则及持液率、摩阻系数的计算方法。(2)实验数据实验所采用的两相介质分别为空气

7、和水，控制液体流量：0．2l~4。41xlO。m3／s，气体流量：O～3．32×10。3m3／s(标况)，空隙率：0～1，系统的平均压力：O～1MPa条件下，模拟不同管径下(20、40、60mm)，不同实验管路的倾角(O。、士150、士300、士45。、土600、士750、士900)模拟不同流型共进行了6287组实验，获得144601个原始数据。图3-1多相流实验装置示意图3．2．实验结果分析3．2．1．流动型态倾斜管的多相流动，流态的划分还是一个尚无定论的问题。本文根据水平管道和垂直管道多相流型的

8、划分方法来定义倾斜管道中的流型。流型划分的基本原则有两类：一是根据多相介质相(气相或液相)的拓扑分布结构来划分；二是根据数学处理的方便程度(即数学上可用类似或近似的处理方法)来划分流型‘41。两类流动型态的划分方法如表3。1。表3-1两类流动型态的划分方法的对应关系第一类划分方法(共七种)第二类划分方法(共三种)泡状流、雾状流分散流弹状流、段塞流间歇流层状流、波状流、环状流分离流通过无量纲参数分析发现Froude数Fr与入口体积含液率E之间有很大的相关性。这样，我们以