沸腾两相流综述Word文件下载.docx
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对两相流的研究冃的是判定在何种外界条件卜热设备中会出现两相流动，以及两相流不同流型的传热特性、流动特性、对系统稳定工作状态的影响等等。
研究内容包括宏观模型研究、流型研究、流动特性研究、传热特性研究，以及它们对两相流系统稳定性的影响。
两相流动过程数学模型研究主要基于以卜•几点'
从质量守恒，能呈守恒，动量守恒出发，将这些平衡应用于各个相界面。
以现令的实验数据（流型、控制体内部流动变量的分布等）将流动过程进行某些理想化处理。
考虑到现有的实验数据并根据某些普遍适用的规律，如热力学第•.定律，对各相以及相界而的冇关物性参数，进行某些理想化处理。
对发生在边界上的传送，进行某些理想化处理。
这种理想化导出传输定律，以及某些理论的和实际的限制（方程组闭合的必要件，方程易于处理性等等）。
由以上叙述可以看出，从热力学平衡（包括局部平衡）为前握的两相流模化包括质量、动呈和能量平衡、各相相应的物构定律以及边界条件及初始条件，然后把这一系列方程组合成闭介方程组，进行数值模拟，解得不同工况卜•的流场特征参数分布。
具体解这些方程组时，涉及到模型简化的问题。
一般是采用宏观的方法，即将两相工质视为连续介质进行研究。
工程上常用的有均相流模型、分柑流模型等等。
然而这些宏观模型人多都釆用这样一个基本假设，即相间热力学平衡。
这些模型对一般场介虽有简单•易懂的优点，但对于沸腾过程中相界面存在强烈热质交换的情况，则显得不合适。
流型的定义是各式各样的，一方面是由于流态定义本身的人为特点：
另一方面是由于对基本相同的流型给予不同的名称。
流型的判断通常是用冃测或其它方法进行流型的分类，并通过诸如相折算速度或总质量流率和干度等参数画成流型图。
通常这些流型图无普适意义。
于是人们继续研究坐标可以通用化的流型图。
这类研梵成功的可能性不人，因为对于每一个流型过渡来说，存在肴不同的柑关通用参数。
然而通用流型图仍被广泛应用，并fl对于垂直流动尤以Hewitt和Roberts的通用流型图影响般广在这个流型图中釆用的坐标是各相的折算动量流率足液体和气体的折算流率，即备相流经单位流道筱向的体枳流率）。
国外对沸腾流动匚况的研究冃前还基本处于対各匸况机理的研究阶段，看重于定性地解释各种工况下的动量平衡，根本的缺点是在平衡的多场力学模型指导下，用平均化的方法抹杀掉了各种流动工况两相时空分布的特点。
而由干很难釆用实测的空泡系数作为基本参数，研究结果基本无法实际应用。
传统的两相流系统流型的分析，大多是基于稳态和准稳态的。
在工程上来讲，就是认为流动工况是相间作用力、流动驱动力和壁面阻力Z间的平衡。
但在实际的运行中，两相流的动态特性是十分重要的，并且由于反应堆流道中的几何因素以及反应堆运行工况的多变性,在各种反馈机制的作用卞，某些微小的扰动町能导致产生各种不稳定现象。
两相流不稳定性可分为两个主要类型：
静态不稳定性和动态（脉动）不稳定性。
静态不稳定性是指在稳态运行工况下的不连续性变化。
换句话说，稳态流动在一定条件下变得不稳定了，它转化为另外一个完全不同的运行工况。
引起静态流动个稳定性的原内有：
界面的不稳定性、流动与压降之间的某些关系以及传热机理的某些变化。
流型转换就属于最常见的静态不稳定，它主要是由于界面不稳定引起的I平衡模型无法解决此类问题，因为流动沸腾工况是个相界面稳定性问题。
根据已有的对于流动工况的理论研究和实验來看，质量流率和空泡率是流体流动工况的决定因素，同时这两者之间又是相互影响的。
而造成这一问题复杂性的最根本的原因是在于这两者具有时空分布的随机性。
这一问题不可能在线性前提卜•在控制基元平衡概念的基础上求得分析解，因此必须用非线性的动态方程來描述。
在近几十年中学者们逐步将波动理论引入对两相流动这一复杂系统动态现象的研究中。
在波动理论中，将空泡波看作为一种连续波。
由于空泡梯度?
a的存在，将会导致流动速度的不断变化，从而产生体枳力f,其直接作用于流体的效果是导致速度的扰动。
u,即产生动力波。
在此认识的基础上，波传播观点，将流动工况视为连续波与动力波相互作用在特定流动条件卜•的非线性解。
这种对于两相流动的认识，也为解决两相流动沸腾问题提供了一个全新的角度。
为了使建模研究的目的向着满足丁程需要的方向发展，必须考虎两相流的动力学特性，在建模过程中引进系统动力学思路,把网络方法和参数辨识方法应用于沸腾流动中，逐渐达到建立能用于解决工程问题的沸腾流动波动模型，先期的应用前景在于识别流动工况。
从学科意义匕来说，虽然对两相流动的分析普遍采用三方程描述（即两相加权质最、动量、能量守恒方程），但对于动态稳定性课题，必须考虎相间作用的非线性后果。
相应的研究方法，必须逐步过渡到非线性热力学和动力学结介的热动力学方法上。
热动力学方法将不可逆热力学理论和动力学方法结合起来，引入网络理论，用网络表述热力学系统及各子系统间的相互作用，并对每-个子系统建立起传输矩阵。
子系统之间通过简单的联结与反馈，建立起热力学系统的动态模型它对于系统的分析、优化和控制有看指导意义。
在几十年的研究过程中，各国研究人员一II在不懈的努力试图弄清沸腾两相流的机理、预测其流动状况利传热状况以便为工业应用提供科学依据。
从理论模型角度来说，常用的宏观模型是均相流模型、分相流模型、漂移流模型，它们假设前捉中仃•个共同点，两相间保持热力学平衡，也就是两相温度相同且处于饱和状态，而假设前提的不同之处在于对两相流速的处理上面。
流型图是流型随试验过程中参数变化而变化的图。
一般的绘制方法是在绝热的管道中（少数在加热管中），保持-定流量的液流，并注入不凝性气体，造成两相流动。
通过改变液流速度和气流速度，观察流道中的流型变化情况，并将结果绘制在一张图ho研究者根据流动方式不同，给出了许多的流型图：
如垂直上升管流型图，垂直下降管流型图,水平管流型图，倾斜管流型图等等。
压降和截而含汽率是汽液两相流IF•常觅要的参数，现在主要还是靠试验总结的经验公式来满足1：
程计算的需要。
斥降计算是各种匸程设备的基本计
算参数。
直管内两相流压降由三部分组成:
dPdPFdPGdzfitdz
pmssin
dzAdzazpGpL
其中等式左边为总压降，右边第一项为縻阻压降，表示流体克服摩擦阻力所需要的压力
梯度，第二项为提升床降，表示流体克服逼力所需要的压力梯度，第三项为加速斥降，为造成流体加速所需要的压力梯度。
其中现行对摩阻压力降的计算，通常采用相同流量条件卜•的纯液或是纯气的单相压力降公式=甞的形式，并通过试验对公式进行修正。
例如对摩擦阻力系数入进行修正，或是直接在公式中添加修正因子＜p。
现在己经积累了人量的试脸资料和经验公式，但各公式计算结果往往相差较大。
从上面的描述来看，现行的两相流分析具有卜•面几个特点：
1.现冇的两相流系统的分析均采用了热力学平衡假设，因此多是基丁•稳态和准稳态的
分析方法。
这一假设对于受热区子系统就比较牵强，因为在发生沸腾的受热区子系统中，液体要沸腾必然存在一个沸腾周期，肉此实际的两相间是处于热力学非平衡态的，非平衡的热力学过程导致了子系统中的各类参数，例如密度、压力并非平衡的，而定处于振荡中。
振荡在流体中的传播就是波动过程，这种波动必然导致主流区中参数的起伏振荡。
当这种起伏作用不人时，在宏观上并不明显，但是当动力学正反馈条件满足的时候，这种起伏将被放人,直至在宏观上可见。
2.时、空尺度都存在着自己的局限性:
有必要在主流区和受热区采用不同的时间尺度。
在主流区中，主要是波动过程，因此是以波的传播时间0）为其特征时间尺度，而在受热区中，扩散时间为特征时间尺度。
现冇的两相流的经脸公式中往往以水利II径为其特征空间尺度,这一点是无物理根据的。
两相流由于气相含最不同和气相在液相中的分布导致物理性质的变化，因此气泡本身的大小才反映了其特征尺度1=舟当然仅单个气泡不足以造成流型的变2v
化，研究中应采用介于微观尺度和宏观尺度之间的介观尺度来分析两相流系统，所谓介观尺度就是流体微团的尺度。
3.现有的沸腾流动数学模型从直觉出发，对每一可以分得出来的流动子系统分别写一套守恒方程，対传热过程用能最守恒方程来表示，最后用经验综合式或其它简化的分析模型來離介这三套守恒方程，使之成为闭介的数学模型。
这就是所谓沸腾的多场力学模型。
认为各子系统各有自己的保守场，只是用并不够严格的经验方法来维系各子系统间的关系。
这种方広抹杀了各种流动工况两柑时、空分布的特点。
这与实际两相流系统由于动力学和热力学带来的动态性相差甚远。
并且由于流道中的几何因素以及系统运行工况的多变性，在齐种反馈机制的作用F.这些小的扰动有町能导致各种不稳定现象。
这样，建立在热力学平衡基础上的经典热力学与传热学的稳态或准稳态的模型方法已显不足，需要引进动态分析的观点和方法，采用系统动力学分析的思路，建立能提取动态特征的模型方法；
4.匸如前面所述，两相流流型的判断是-个非常巫要的问题。
现行的流型谱方法绝大部分是以绝热管中的气液混介流试验数据为基础的，因此与实际的受热流动情况冇不小的差距。
为了反映受热特点，还应该在表征流型的图或公式中加入热流密度，汽化潜热和比热这些和换热有关的量。
同时这种方法的适用范国应限制干试验范闌以内，不只备很好的外推性。
而II对于无法进行原型试验的复杂流道（如反应堆水利热工装宜），就无法用这种方法。
对两相流更婆参数如压降各分最、空泡系数等都来源于试验数据拟合得到的经验公式，肉此在使用这些经验公式的时候，必须特别注盘试脸范国和试验边界条件
多相流研究的最新进展
两相流问题经常会在石汕、化学、核工业中遇到，这就要求我们必须了解，分析和设计两相流系统。
由于两相流系统本身比较复杂，人们开始是用经验方法；
来解决它。
近来，人们逐渐尝试用模型的方法來解决。
模型方法的先决条件就是流型的存在。
现在已经有各种各样的理论来预测流型，流型也可以由管中齐相的几何分布来识别。
如界面、流动机理、压力梯度、滞留呈、压力传导系数等参数的空间几何分布都会I人1流型不冋而佇所不冋。
虽然早在1914年，就已经出现对气液混合物的研究，也出现了多种经典的计算井筒压力梯度的方法如：
1963年的Duns-Ros方法&
、1965年Hagedorn-Brown方法;
、1967年的Orkiszewski方法'
、1972年的Aziz-Govier方法°
、1973年的Beggs-Brill方法10、1986年的Hasan-Kabir方法“等。
但是由于其流动机理的复杂性及其不同压力和温度下的流体性质参数计算结果准确性低的限制，使得一直没有一种准确性高、适应性广、能够满足工程计算需要的方法。
近几年，又出现了新的进展。
2001年，Kaya等人把前人的力学模型进行了总结与修正，首先预测流型，再利用每种流型的水动力模型计算直井和斜井中的两相流的流动性质。
"
'
他们从理论和实验卜•研究和确定了直井流动的五种不同流型：
泡流、分散泡流、段塞流、搅动流和环流。
后來，证明此模型也同样适介于斜管。
多相管流的计算准确程度受多种内素影响，除了所选用的计算方法外，关键是不同压力和温度下的流体性质参数。
实际上，需要进行计算的人多数油旧都缺乏这方面的实跋资料。
冃前，虽然仃一些计算流体性质参数的相关式口J•供选用，但在使用中应根据各油田的高压物性实验资料对所选用的计算公式进行检验和必要的修正。
Kaya法本身的流型判断界限比较模糊，有时甚至有跳跃现象存在。
而且，方法中的许多参数取值（如CO,Cs等）的取值是根据作者当地的地质条件、油藏条件以及流体性质等提出的，不一定适合本油R1的实际情况。
因此，计算可能存在误差。
2002年,Allan等提出一种计算井筒和管道多相流参数的新方法。
不同于严觅依赖当地圧力P、温度T的传统表格法，即不需要将压力P、温度T内插入标准图版，也不把油、气、水分别考虑。
他们提出的“组分追踪法”准确地考虑了并组分相对于空间和时间的变化，并预测了在烧类和水变化基础匕的流体性质如密度、粘度、热传导、热容以及表面张力等，从而更准确地预测压降、温度变化和流型转变。
他们把这种方法的计算结果与传统计算法进行了结果对比，发现在0.5英寸情况下这种方法更准确，在1英寸卜•两种方法差不多。
他们认为这是因为试验的压力太小还不能把两者的差距足够放人。
在人压差下，“组分追踪法”会显示更人的优越性。
2003年，EI-SayedA.Osman用两个三层（BNPS）的神经网络模型（ANN）来预测水平管柱中的液体滞留以及流型。
通过釆用已经发表的数据作为输入來训练，发现液体滞留模型优于其他现有关系式，只有最小的误差和最高的相关系数；
流型识别模型对环空流的识别率为100%,层状流为97.3%,段塞流为96.9%,波浪流为97.4%。
他指出，随着输入数拯的增多和训练的增加，模型的准确性也会进•步提高，并町以把它应用到斜管和垂直管流预测上去。
2003年，H.Shi等提出用漂移模型来描述井筒多相流，并于2004年用15cm的倾斜管多相流数据来漂移模型的参数。
通过试验有如下结论：
为气-水、油-水系统准备的数据最好用一个包含各套、各个角度的统一方法来确定；
气-水系统的数据町以用到三相流中预测气体滞留;
对于角度大于70°
的井筒，当气体滞留比较小（0.1左右）时，油水之间的滑移可以忽略，三相流可以处理成两相流;
对于近水平流，虽然随着气体的析出,对汕水之间的滑移影响逐渐减小，但是滑移仍然是很人的，他们引入一个气体滞留与角度的函数a3來描述油水滑移,从而把两相流和三相流成功地整介成一个统-的模型，计算结果也优于单一模型。
对于水平井筒气液两相流，国内的张琪、吴宁等作了较多的工作，先后提岀了水平井筒变质屋流型转变模型”、分散泡流压降模型=环空雾状流模型叭分层流压降模型为以及间歇流模型”。
根据经验公式和理论推导得到各组份的速度、密度、应力等进而代入由质量守恒、动量守怛以及能量守怛得出的斥力梯度公式从而计算得到斥力梯度。
微尺度下沸腾两相流的研究现状
由于空间、信息及生物技术的发展，紧凑式蒸发器以及微尺度下相变传热问题得到众多学者甫视。
相关研究成果有：
Josteir?
】在并行25根内径为0.8mm、长为0.5m的细通道中进行了C02沸腾两相流实验，在蒸汽温度为0-25°
C、质通量为190-570kg/m2s.热通屋为5-20kW/m2范闱内的传热和压降特性，干涸现彖对传热的影响较人，尤其是在高质通最和高壁温情况卜。
干涸现象以核态沸腾为主，当在高质通量卜增加雾沫量时，流型以坏状流为主。
实!
捡得到核态沸腾、强制对流蒸发、干涸起始段以及干涸后模型的传热关联式。
Yu等人“在内径为2.98mm的单管内进行了水的沸腾传热实验研究，质量流率为50-200kg/m2s,入I】温度从环境温度至80°
C,压力为200kPa.实验发现：
在壁面过热度低于8C时，主要的传热机制为核态沸腾，而在高壁面过热度时，壁温出现脉动，从而进入过渡沸腾区。
甘云华、徐进良等人^对微尺度相变传热进行了较为系统的综述，论述了控制微尺度相变传热的准则数，分析了沸腾起始点、流型、压降、传热系数、不稳定性、临界热流密度六人关键问题，为微蒸发器的设计、制造及运行提供了科学依据和指导。
赵鹏飞等人24以氟利昂RM3为工质，对0.7、1.1和1.4mm的圆形微小通道内的沸腾流动进行了实验研究。
拟合了不同管径下强制对流沸腾换热实验关联式，定性分析了沸腾换热系数受质量流速、干度、通道II径的影响：
低干度、高质量流速时，无量纲沸腾换热系数随干度的增加而先降低再升高：
随着通道直径减小，核态沸腾换热区的干度增人。
微重力下沸腾两相流的研究现状
在航天技术领域中，微重力作用卜•的两相流动成为近年来学者关注的焦点。
随着人类空间探测与开发活动的发展，空间飞行•器尤其是我人航尺器将越來越人型化和精密化，其运行环境是微旋力气液两相流实验研究的理想环境，如空间站或航天飞机等。
相关研究成果有:
Ohta等人巧利用NASDATR-1A火箭利DASMU-300航天器匕的核态沸腾实验数据，对微重力下核态沸腾机理进行了研究。
研究结果衣明：
除去高热流密度或低过冷度引起的沸腾烧毁情况，微朿力卜町以产生稳定的核态沸腾：
在高热流密度和低过冷度卜，聚合而成的大气泡脱离壁面，换热以核态沸腾占优；
与常重力相比，微重力I、•通常存在换热强化和换热削减两种相反趋势，视蒸发层厚度和蒸干区扩张综介特性而定。
Johannes26在宇宙空间实验装置上进行了以氟里昂R11为工质的微通道沸腾传热实验，并与在地面上重力为lg时的数据进行比较。
研究结果表明，在核态沸腾区，电子元件表而热流密度超过900kW/rr?
；
甫力对传响在核态沸腾区不明显，而在过渡沸胯和膜态沸腾区换热能力降低了50%。
赵建福等人"
利用俄罗斯IL-76飞机对微重力条件下方形截面管道内气液两相流压降进行了实验研究，其实验结果与常重力卜•的两相流斥降进行对比表明：
均相模型和LMC模型（Lockhart-Martinelli-Chisholm）预测结來和实验数据差异很人：
血Friedel模型的预测结果尽管也与实验数据有着明显的差别，但在这些模型中是误差最小的。
Yue等人进行了以弑里昂FC-72为工质的常重力和微重力卜强迫对流临界热流量（CHF）的实验研究。
流动沸腾实验装叠包括泵、预热器、试脸段、冷凝器、激光摄像仪和数据采集系统。
实验参数变化范南：
流速为0.035-0.30m/s,雷诺数为50-200,热流密度为200-500kW/m2,压力为口2kPa。
研究结果表明:
微重力bCHF和过渡沸腾换热能力比常重力卜的低，但随着流速的增加，两者间差别减少。
微觅力下，强迫对流能强化换热能力。
在核态沸腾区，较高流速卜•微重力比常重力条件能显著提高换热能力：
在过渡沸腾区，较高流速卜•微重力比常重力条件也能显著提高换热能力。
旋转状态下沸腾两相流的研究现状
在旋转电子机械的热量管理、涡轮发动机的能量支配、海洋条件中动力热工系统以及航空航天飞行器的冷却系统等方面，旋转状态卜流体的流动及传热机理亦引起相关学者的关注。
Stefan^通过LES（Large-Eddy-Simulations）方法对挣止和旋转圆盘卜的水平横向气流的传热特性进行了研究和对比，得出旋转和横流速度变化范用内的传热系数和关联式。
通过对圆盘固定-横向7流和圆盘旋转-静止气流两种极限状态卜•的对比，发现转速和气流雷诺数的临界比与旋转传热增幅相关。
仅当高于临界值且为层流雷诺数时，旋转传热量增加。
这种现彖可通过Landau模型进行描述，它与流动不稳定性造成的周期性涡流直接相关。
对于高角速度下，涡流发展为充分湍流，II迅速发生跃迁。
Seghir■等人叭寸旋转圆管内轴向气流的对流传热进行了实验研究，并采用反向模型、薄壁假设模型和解析分析三种方法确定了转速为4-800rpm、旋转雷诺数为1.6X103-4.7xl0\空气流率为0-530m3/h.轴向雷诺数为0-3X104时的对流传热系数。
结果表明，管内壁对流换热取决于转速和气流最：
高速旋转时，转速为影响流换热系数的主要因素，热帛:
传递率仅取决于旋转雷诺数：
低速旋转时，努塞尔数为旋转和轴向雷诺数的函数。
Chiu等人3】设计了矩形管绕与其平行的水平轴均速旋转模型，进而对该模型下的对流・辐射换热进行了数值模拟，通过DuFort-Frankel数值格式求得动量和能量方程的耦合解，并验证对流与辐射换热的相互关系。
通过坐标离散的方法进一步求解积分微分辐射换热方程，其解由众多控制参数表示。
研究结果表明：
旋转作用对方形管的影响要高于矩形管；
轴向努塞尔数Ng以辐射换热部分占优，且离心-浮力效应趋于减小；
在入II处旋转对Ng的影响受到限制，但在通道外部存在辐射换热效应。
另外，轴向努塞尔数Ns随对流•辐射比参数肌的减小而增人。
Song等人^研究了轴向转速为4000rpm（故大离心加速度为270g）稳定旋转时热管的传热特性，其传热率升至0.7kW#实验以水为介质，流体载荷占总容积的596-30%变化范闱内，对圆柱形和内部为锥形的热管进行了实验。
通过转速、流动载荷以及热管的几何特征来硏究其传热特性。
与圆柱形管冷凝器相比，锥形管冷凝器人人增强了传热效率。
实验结果与先前模型对比表明，在高速旋转卜•的传热机制中，热管蒸发器内液膜的自然対流换热占主导地位。
Khan33研究了转速为3000rpm的超导电机内液态氨的传热和流动个稳定性，分析了旋转状态卜由口流泵驱动的U型管内氨■气两相流的流型。
传热元件为铜制圆盘，竖百安装在径向距离0.41m处。
研究表明，在层流和紊流之间，流体相分布受縻擦因子和速度梯度的影响，从而导致流动不稳定。
换句话说，流动不稳定发生在加速、减速或加热过程中。
刘艺涛34对动我作用卜水平和直角弯管内两相流动进行了数值模拟，动我作用即在离散方程中增加一个力的源项，结果表明：
动载作用会引起管内两相流型的变化，液相会往过载方向拥挤。
管内两相流体会在局部出现加速（或减速）、弯头部位会出现回流、涡流等现彖。
动载会影响管内流动的压力分布和流阻人小，过载方向与流动方向相反时，管内压力增人,梯度增大，流阻急剧增大：
过载方向与流动方向相同时，管内压力减小，梯度可能为正也町能为负
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