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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date多相流体力学作业多相流技术的发展现状多相流体力学作业院系：能源与动力工程学院专业：动力工程学号：姓名： 2012年7月10日多相流技术的发展现状自然界中物体的形态是多种多样的,但最常见的为固态、液态和气态。处于固态的物体称为固体,处于液态的物体称为液体,处于气态的物体称为气体。由于热力学中将物体中每一个均匀部分称为一个相,因此,各部分均匀的固体、液体和气体可分别称为固
2、相物体、液相物体和气相物体或统称为单相物体。由于液体和气体具有流动的特性,两者一般统称为流体。因此,各部分均匀的气体或液体的单独流动可称为单相流体的流动或简称为单相流。当流体各部分之间存在差异时,这一流体称为多相流体。例如,气体和液体的混合物,气体和固体颗粒的混合物,液体和固体颗粒的混合物以及气体、 液体和固体颗粒的混合物等都是多相流体。多相流体简称为多相流。多相流的特点为在多相流中各相之间存在分界面,且该分界面随着流动在不断变化。例如,水夹带着气泡在管子中流动,水和每个气泡之间都存在分界面。但是在流动过程中,每个气泡在水中的形状和位置随时在变化,小气泡有时还会合并成较大气泡。因而水和气泡的分
3、界面随着流动是在不断变化的。所以,一般可将多相流定义为存在变动分界面的多种独立物质组成的流动。由于固体物质具有一定的形状和体积,因而固体是无法与气体或液体混合成均匀的单相流体的。因此,由固体颗粒与气体或液体组成的混合流动均属多相流。各种液体混合在一起,有时可成为一种单相流体,如水与酒精的混合物;有时则不能,例如,水与油的混合或水与水银的混合等。因此,各种液体的混合流动可能是单相流,也可能是多相流。各种气体混合时,由于气体的扩散性强,一般都能混合均匀,成为一种单相流体。因此,各种气体的混合物流动均可视为单相流。 多相流根据参与流动各相的数目一般可分为两相流和三相流两类,其中尤以两相流最常见。两相
4、流这一术语在20世纪30年代首先出现于美国一些研究生论文中。随后逐渐见于正式出版的学术刊物上。两相流可分为四种:气体和液体一起流动的称为气液两相流;气体与固体颗粒一起流动的称为气固两相流,液体与固体颗粒一起流动的称为液固两相流;两种不能均匀混合的液体一起流动的称为液液两相流。三相流可分为两种:气体、液体和固体颗粒共同流动的称为气液固三相流;两种不能均匀混合的液体和气体一起流动的称为液液气三相流。当然,也存在气体、多种不能均匀混合的液体和固体颗粒一起流动的工况。这种流动可以根据参与流动各相的数目另行命名。 还可以根据参加流动的各组分对多相流进行分类。以气液两相流为例,可分为单组分气液两相流与双组
5、分气液两相流。例如,水蒸汽和水的组分是相同的,其分子式均为 H2O ,只是水汽化后变成了水蒸汽。所以汽水混合物的流动属于单组分气液两相流。空气和水的组分是不同的, 所以空气和水的混合物流动属于双组分气液两相流。单组分气液两相流在流动过程中根据压力变化的不同有可能发生相变,即部分液体能汽化为蒸汽或部分蒸汽凝结为液体。双组分气液两相流中不同组分流体之间是不会发生含量变化的,但在同组分流体中根据压力变化也有可能发生相变。 根据换热情况的不同,多相流还可分为与外界无加热或冷却等热量交换过程的绝热多相流和有热量交换的多相流。在有热交换的多相流中伴随着流动过程常会发生单组分工质的相变(即液体汽化成蒸汽或蒸
6、汽凝结成液体)。多相流体力学是研究多相流体在绝热流动或具有热交换流动时的力学的科学,因而其形成与发展过程是和流体力学以及传热学等学科的发展关系密切,并且这些学科的发展都和世界经济与工程技术的进展有着密切的关系。 多相流在自然界、工程设备乃至日常生活中都是广泛存在的。自然界中常见的夹着灰粒、尘埃或雨滴的风,夹着泥沙奔流的河水以及湖面或海面上带雾的上升气流等均为多相流的实例。在日常生活中常见的烟雾,啤酒夹着气泡从瓶中注入杯子的流动过程以及沸腾的水壶中水的循环也都属于多相流的范畴。 严格地说,即使在一般认为是单相流体的液体和气体中也往往含有另一相的成分在内。例如,当温度降低时,含于气体中的水蒸汽就会
7、凝结,使气体带有微量水分。又如在水流中几乎也总含有少量空气。但是,在这些情况下,由于气体或液体中所含另一相数量微小,所以仍可看作单相流体。 在工程设备中,多相流工况也是经常遇到的。在动力、核能、化工、石油、制冷、冶金等工业中就存在各种气液两相流工况。例如,在核电站、火力发电站中的各种沸腾管、各式气液混合器、气液分离器、各种热交换设备、精馏塔、化学反应设备、各式冷凝器及蒸发器等都广泛存在气液两相流体的流动和传热现象。 气固两相流工况在工程中也是常见的。在动力、水泥、冶金、粮食加工和化工等工业中广泛应用的管道气力输送就是一种气固两相流。气力输送中应用气体输送的固体颗粒是多种多样的,有煤粉、水泥、矿
8、石、盐类、谷类以及面粉等。虽然气力输送的固体颗粒品种和颗粒尺寸不同,但从本质上看都属于气固两相流的范畴。此外,在采用流化床燃烧的锅炉中,炉膛流化床上空气和燃料颗粒的流动工况以及煤粉锅炉炉膛中的流动工况也都是气固两相流工况。 液固两相流在工程中的典型例子为水力输送。水力输送广泛见用于动力、 化工、造纸以及建筑等工业。在这些工业中,用水力沿管道输送的有各种固体颗粒,如烟煤、泥煤、矿料、矿石、盐类等。也有用水和各种细颗粒混合成浆状输送物进行输送的,如水煤浆、纸浆及建筑材料浆等。其他,像火力发电厂锅炉的水力除渣管道中流动的水渣混合物也属液固两相流的范畴。 至于液液两相流可用化工中的乳浊液流动工况及石油
9、工业中的油水混合物为其工程实例。在工程中还存在不少三相流的工况。例如,在浆状流体中,除存在固相和液相外,有时还含有气相(空气)。化学工程中采用的各种气液固三相流化床工况中有气体、液体和固体颗粒一起流动。在油田开采出来的原油中,除去原油和天然气外还带有水。这些流体的流动工况都属于三相流的范畴。在油田开采出来的流体中,有时除原油、气体和水外还夹有沙粒,这种流体的流动就属于四相流。多相流体力学是研究多相流体在绝热流动或具有热交换流动时的力学的科学,因而其形成与发展过程是和流体力学以及传热学等学科的发展关系密切,并且这些学科的发展都和世界经济与工程技术的进展有着密切的关系。目前处理多相流的问题，大多是
10、从宏观出发，根据单相流体的连续性理论，对多相流加以修正。为了进一步阐明多相流的运动规律，各国学者十分重视对多相流机理的研究，以便从微观出发来研究多相流的问题。 美、德、俄等国在20世纪20年代已开始了多相流体力学的研究,日本始于50年代,我国在60年代也开始了这方面的研究工作。我国在多相流体力学和传热方面的研究工作开展得十分活跃,举办了一系列多相流与传热的国际和国内学术会议,建立了动力工程多相流国家重点实验室。许多高等院校和中国科学院相关研究所都在积极开展多相流与传热方面研究工作并取得不少重要成果。我国多相流技术始于上世纪70年代，当初的计划是用于发展海上大型气田和凝析气田。这就要求更好地掌握
11、管线多相流的现象及水力特性。对多相流的研究集中在管线内气体和液体的相互影响上，以便使工程技术人员能按最佳性能设计多相流管线。开始此项研究时，工业界对未处理的油井采出物以及“间歇流”对立管、平台上层结构和陆上设施三者的设计影响都不十分了解。自工业界开始开发和研制多相泵和多相流量计以来，众多的制造公司、经营者、技术集团和研究院采用不同的方法从广泛的角度上进行了研究。这是由于技术人员就增压和计量的最佳技术解决方法缺乏统一认识所致；唯一共识的是，一种设备无论是泵还是流量计都不可能适应于所有的流体条件，如不同的截面含气率和油水组份等。对于流动结构，日本神户大学坂口忠司等研究了水平通道的水流中侵入大气泡或
12、形成气穴时的流动结构特性。这种情况在轻水反应堆失冷事故，锅炉水平管中发生干涸, 水平管中气液二相流弹状流动以及重力流动时发生。通过试验求得了大气泡沿遁道的速度特性及大气泡运动速度的关联式。日本京都大学荻原良道等研究了下降环状二相流薄层液膜中界面波的结构特性，得出了在脉动波和扰动波结构时界面波的基本特性。埃及亚历山大大学Sorour研究了垂直环管中泡状流和弹状流的转变以及泡状流时空气和水的棍合特性。波兰沃波雷工业大学Troniewski等研究了垂直和水平矩形通道中气液混合物的流型与压降，提出了垂直管的通用流型图，修正了水平管的Baker图。在核能发电方面,常规压水堆核电站因反应堆出口水冷却剂温度
13、较低,其发电效率不高,一般为 30 %左右。新一代的高温气冷堆核电站由于采用了新型燃料元件和以氦气作冷却剂,可使反应堆出口的冷却温度大为提高,从而使核电站发电效率提高到40 %以上。在此新型核电工程中,除蒸汽轮机、 凝汽器中存在的一系列湿蒸汽两相流和凝结问题外,由于其蒸汽发生器中的给水蒸发管是由像弹簧一样的螺旋管构成的,所以还要研究这种螺旋管中具有热交换的汽水混合物的多相流体力学和沸腾传热问题。因此,多相流体力学也是开发这种新一代核电站的重要理论基石。在未来可作为可持续发展能源之一的托卡马克型受控核聚变反应堆核电站中,核燃料发生热核聚变反应并释放出大量热能。此热量先由熔解的锂层吸收并将其传给置
14、于锂层中的液态钾蒸发管。使液态钾产生钾蒸汽并以此驱动钾蒸汽轮机发电机组发电。钾蒸汽轮机排出的钾蒸汽温度仍较高,可再通入蒸汽发生器,将其中的水加热成水蒸汽。自蒸汽发生器引出的钾已被凝结成液态钾,可引入液态钾蒸发管循环使用。自蒸汽发生器引出的水蒸汽可用来驱动蒸汽轮机发电机组发电。蒸汽轮机排汽用凝结器凝结成水再回入蒸汽发生器循环使用。 由上所述可见,要开发研制这种新型核电站,除了需掌握常规凝汽式电站中蒸汽轮机发电机组的一系列湿蒸汽两相流和凝结传热理论外,还需研究液态钾在管内流动汽化时的沸腾换热的气液两相流体力学问题,钾蒸汽在钾蒸汽轮机中的湿蒸汽流动过程和在蒸汽发生器中的湿钾蒸汽凝结问题等。因此,多相
15、流体力学也是发展这种新型核电工程的一种重要理论基石。针对相的分布与份额，加拿大安大略水力研究所Chan等研究了有浸没的水平式加热器的容器内沿水平管束池沸腾的截面含汽率分布和截面含汽率值，用50毫居钴-57伽马密度计测定加热器上部截面含汽率分布，液位和液面波动用浮子连接线性变化的差接变压器(LVDT)检测，容器内的平均截面含汽率可直接由LVDT测量得出，也可由局部截面含汽率分布积分求得。在现代制冷工程中,无论是蒸汽压缩式制冷设备、溴化锂吸收式制冷设备或是新的应用热虹吸原理代替泵的无泵吸收式制冷设备中都只有在多相流体力学指导下,掌握其工作机理才能进行开发和研制。医药卫生方面的血清、 疫苗、 药物乃
16、至眼球等组织器管的低温保存设备和冷手术刀等的设计和正常操作均与多相流体力学理论有着密切的关系。 在现代叶轮机械工程中有不少叶轮机械的工质为两相流体或多相流体,诸如锅炉排粉机和引风机中的气固两相流体,用于海洋石油开采的油气混输泵中的油气工质和汽轮机尾部叶轮中的湿蒸汽工质等。只有掌握叶轮中的多相流体力学原理,才能设计出效率高和运行可靠的叶轮机械设备。而在多相流数学模型方面，美国新泽西史蒂文斯工学院Dobran用连续介质力学方法提出多相流基本方程组，并与以前的研究结果进行了比较。美国伊利诺斯工学院Arastoopour等根据一般流体力学方法，用连续性和动量平衡原理，提出了单相流体及气液二相流体通过低
17、透性介质(如紧密的沙子)的方程组，并用紧密的沙芯试样进行试验，取得了一致的结果。对单相气体水平通过紧密沙芯试样，得出线性方程，可求得分析解，并与常用的扩散方程解作了比较。在现代宇航工程中,随着重力的极大减弱,物质的运动规律会发生显著的变化。例如,表面张力、 相变等在失重工况下均会对流体流动起重要影响作用。以水为例,一杯水在地球上,因杯壁与水的表面张力和重力的作用会使水表面呈弧形。但在失重时,杯中的水会在表面张力作用下上升,并沿杯壁溢出。水沸腾形成的汽水混合物在水平管中流动时,如存在重力,则较重的水倾向于在管子下部流动,较轻的汽倾向于在管子上部流动,形成不对称的各种流型。但在失重和微重力状态下,
18、多相流体力学的规律尚研究甚少。多相流动和传热过程在空间飞行器的燃料传输过程、空间能源或强化传热装置。生命保障系统及空间站系统中都是客观存在的。因而为发展现代宇航工程,各主要工业国均在对此进行重点研究。我国的国家微重力实验室也在对微重力下的多相流体力学进行专门的研究。在多相流体动力学方面，美国特拉华大学Martin等收集了大量气固二相流摩擦压降试验数据及几十个计算方法，进行了全面的评述和系统的研究，以确定各关系式用于空气-固体系统摩擦压降计算的可靠性。美国休斯顿Exxon公司Aggour等提出了气相密度对双组分二相垂直流动的流型和摩擦压降的影响的试验数据，试验气体为空气、氮和氟利昂12，液体为水
19、，所得数据与现有模型和关系式的结果进行比较，以确定其有效性及普遍性。多相流体力学在现代生物工程中也得到重要应用。以发酵的三相流化床或生物反应器为例。反应器中的固相为固定化的细胞颗粒,在颗粒中发生预定的生物化学反应;液相为细胞生长所需的营养液,而气相则为微生物呼吸所需的气体。这类三相流化床中可生产乙醇和各种抗生素而其设计和运行均需以多相流体力学为指导。现代环保工程也广泛用到多相流体力学理论。废气中的粉尘捕集或净化技术,二氧化硫的洗涤脱硫过程以及各种废水处理过程均与多相流体力学有着密切的关系。此外,在海水淡化工程以及为海洋热能利用而设计的各种锅炉、 蒸发器和凝结器均离不开多相流体力学的理论指导。由
20、此可见,多相流体力学对于指导、发展和开拓现代工程的作用是十分重要的。随着现代工程的发展、科技的进步以及对于多相流体力学提出的一系列新的研究课题,多相流体力学必然会在不断取得新的研究成果下得到进一步的发展以满足新时代发展的需要。除以上介绍的以外，在多相流应用与测试方面还有不少论文。而在诸多会议上，还对沸腾与凝结、气液二相流流型与压降、反应堆与化工厂安全、气固二相流与传热、动力与化工过程中二相流设备等问题组织了专题讨论。一致认为多相流在能源、动力、化工等许多部门有广泛应用, 目前还有许多问题未解决。各国学者应加强合作，使研究工作日益深入。我国在多相流研究方面原有基础比较薄弱，随着大型动力、原子能、石油化工的发展，在这方面的研究工作应予以加强。-