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1、多相流体力学及其工程应用林宗虎中国工程院院士,西安交通大学多相流国家重点实验室,西安710049关键词 多相流 流体力学 工程应用多相流体力学主要研究多相流体在流动时的力学问题。由于其在现代重要工程设备中的广泛应用。近数十年来多相流体力学发展迅速,已成为流体力学的一个重要分支。至今,多相流体力学已形成一门独立的新兴学科。本文主要对多相流体及其分类、多相流体力学的发展以及多相流体力学在现代工程中的应用作扼要论述。1多相流体及其分类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
2、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
3、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
4、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
5、分类。以气液两相流为例,可分为单组分气液两相流与双组分气液两相流。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
6、会发生单组分工质的相变(即液体汽化成蒸汽或蒸汽凝结成液体)。多相流在自然界、工程设备乃至日常生活中都是广?002?Chinese J ournalofN atureVol.28 No.4Review Article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凝结,使气体带有微量水分。又如在水流中几乎也
7、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、矿石、盐类、谷类以及面粉等。虽然气力输送的固体颗粒
8、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
9、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。2多相流体力学的发展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。以动力工程和核电方面的气液两相流为例,自18世纪瓦特发明蒸汽机
10、以来,动力工程得到了飞速的发展。但在初期,因缺乏气液两相和沸腾传热方面的知识曾发生过不少工业事故。气液两相流和传热学正是在不断总结经验教训,不断进行研究的过程中逐步形成的。早先一些采用蒸汽锅炉和蒸汽机作为动力的蒸汽轮船和蒸汽机车的锅炉爆炸事件促使人们去研究锅炉的水循环和传热问题。在19世纪末和20世纪初,已有一些论文论述了船用锅炉的水循环和传热问题。有的还论及了气液两相流流动时的流量脉动(流动不稳定性)问题。但总的来说,有关论文数量不多,研究工作还处于启蒙阶段。直到20世纪30年代,根据生产发展的需要,气液两相流体的流动和传热研究工作才日益展开,发表的论文也日益增多。在19301940年间发表
11、了一些研究气液两相流体流动不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流动问题的重要文献。在传热方面开展了对大容积沸腾的研究工作,研究参数一般都在中压以下。19401950年期间,不仅对双组分气体液两相流的流动阻力进行了研究,而且还将研究工作深入到具有热交换的单组分气液两相流领域,研究参数也逐渐趋向高压。1950年后,由于工业技术的飞速发展,例如,动力工业中高温高压参数的应用和宇航工业及商用核电站开始发展,促使气液两相流和传热的研究工作进一步展开。1950年 1960年期间,直流锅炉开始采用。在这种锅炉的蒸发管中,进口工质为温度低于沸点的水,出口工质为过热蒸汽,因而其中的流动和换热工况与一般自然循环锅炉蒸
12、发管中蒸汽含量较少的湿蒸汽流动和换热工况大不相同。在直流锅炉蒸汽含量极高的蒸发管段中,当炉膛中的高温火焰在管外对其加热时,会发生传热恶化和管子烧损现象。此外,在核电站中,蒸汽发生器的蒸发管所受到的加热热负荷要比锅炉中的高几倍乃至几十倍。为了避免蒸发管等换热面烧损也必须深入研究蒸汽含量高以及热负荷高情况下的具有热交换的气液两相流问题。因而只考虑整根蒸发管中气液两相流的平均特性已不能满足工程发展的需要,必须掌握更详细的气液两相?102?自 然 杂 志 28卷4期专题综述文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7
13、M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3
14、 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4
15、I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W1
16、0文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:
17、CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10
18、Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5
19、 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10流体的流动结构形式以及整个蒸汽干度范围内的传热特性知识以推动工业的发展。在此期间对于气液两相流的流型及传热恶化等问题进行了较为深入的研究。研究参数进入高压、超高压乃至超临界压力。近40年来,美、英、俄等工业发达国家建立了一系列功率为兆瓦级的试验台。不少试验都能用实物在实际运行压力下进行。对气液两相
20、流的流动和传热机理、流型及其影响因素、流动时相的分布及各种阻力计算、流动时的动态不稳定性和沸腾传热以及强化传热等问题作了广泛的研究和分析,并得出了一系列相应计算式。总结两相流和传热的各种研究成果的专著也大量出版,这标志着气液两相流已发展到一个崭新的阶段。近20多年来,由于核电站事故的发生,各主要工业国对与核电站安全问题密切相关的核反应堆的热力、水力状况进行了大量研究工作。在此基础上编写了不少计算机程序以预测和监控核反应堆正常运行和发生事故时的热力和水力工况。在石油工业方面,自20世纪30年代开始采用注入高压湿蒸汽开采稠油以来,这种方法已成为开采稠油和提高采油率的一种主要热力采油方法。各国对注汽
21、井中注入的高压汽水混合物沿井深流动时的压力、温度、蒸汽干度和流量的变化规律及在储油地层中的流动工况都进行了广泛的研究。特别在近30年来,当石油、天然气生产逐步由陆地向沙漠及海洋扩展,油井中采出的原油、气体和水的多相混合物的长距离可靠输送和分离等一系列多相流问题逐渐成为研究热点,并取得了一系列成果。此外,多相流泵的机理研究和开发,大量深层油气储量的开采技术,以及提高已开采油田采收率的措施等均与多相流体力学有关,并已成为近年来的研究重点。在多种工业中得到广泛应用的多相流化床系统也是多相流体力学的一个重要应用实例。这种流化床系统首先在20世纪20年代能源工程中用于将煤直接液化成液体燃料。在此系统中,
22、煤粉与油浆在高温高压下与氢反应。在第二次世界大战中,德国应用此方法生产机动车燃料油和航空汽油。第二次世界大战后,从煤直接生产液体燃料的方法因石油产量增多而逐渐停用。1950年后,气液固三相流化床系统用于有机化学或聚烯烃反应过程。其工业应用包括生产山梨醇、丁二醇、乙烯聚合等。1968年,三相流化反应器首次在美国用于渣油加氢和固体催化剂以生产轻质油。1973年后,由于能源危机,国际上重新对合成燃料发生兴趣。在美国开发了多台较大容量的将煤直接液化为液体燃料的三相流化床装置。1980年后,这种生产装置因原油价格降低而再次停用。但在进入21世纪后,由于油气资源紧缺,在国际上,特别是以煤为主要能源的国家中
23、,以煤生产液体燃料的工程装置有进一步更新发展的趋势。能源危机促进了煤的应用范围的扩大,同时,为了减少污染,改善环境,也使燃煤产生的烟气的净化系统得到了研究和开发。其中,烟气湿净化系统就是一种三相流化床系统。此外,三相流化床系统还用于生物化学技术,包括废水处理和发酵等方面。由于三相流化床系统的广泛工业用途,近数10年来对三相流化床系统中气液固三相流体的流型、压力降计算、三相组分或流量的计算、三相流体的流动不稳定性以及三相流体的传热、传质过程都进行了一系列研究,取得了一定成果。并随着三相流化床工程应用范围的扩展,正逐渐成为多相流体力学中的研究热点。在动力工程中,多相流化床主要用于锅炉的流化床燃烧。
24、在这种锅炉中,空气经布风板均匀进入炉膛下部并向上流动。作为燃料的煤从进料口进入后,一面燃烧一面被上升空气流吹得上下翻滚,如沸水运动相似,所以也称为沸腾燃烧。这种流动实质上是一种有化学反应的气固两相流动。近30年来,由于这种燃烧方式可燃用劣质煤,可减少燃烧产生的烟气中氧化氮的含量,有利于环保,因而对其流动和传热过程进行了一系列研究,促进了气固两相流体力学的发展。在叶轮机械方面,对于夹带固体颗粒的气体流过各种气固两相风机(例如锅炉引风机、排粉机等)系统的叶片和弯道时的气固两相流特性以及气固两相流对材料磨损特性的影响等方面进行了研究。此外,还对于火电站和核电站大型汽轮机中湿蒸汽两相流的流动特点,湿蒸
25、汽中高速水滴对汽轮机末尾几级长叶片的撞击力学过程,以及叶片材料破坏机理进行了研究。研究成果对改进气固两相风机和蒸汽轮机的设计和运行都发挥了作用。在其他工业领域中,对多相流和传热的研究都在向着增加研究参数,扩大研究范围和进行一些全尺寸部件试验的方向努力。对于管束中的流动结构形式和流动阻力的研究也在增多,以适应废热锅炉、重沸器、列管式蒸发器以及其他热交换设备发展的需要。综上所述,可见多相流体力学的进展与工业的发展是密切相关的。工业发展不断向多相流体力学的研究提出新课题,而多相流体力学研究工作的进展又进一步促进了工业的发展。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
26、,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?202?Chinese J ournalofN atureVol.28 No.4Review Article文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG
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30、8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档
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32、R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S
33、8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10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。3多相流体力学在现代工程中的应用多相流体力学同样是现代工程中的重要理论基础,对于指导和发展现代工程具有重要作用。众所周知,电力工业是发展一切现代工程的保障和先行工程。我国的电力工业历来以燃煤的火力发电为主,不仅发电效率不高而且其排烟严重污染环境。为此,各国都在努力研制和开发新一代高效洁净经济的火力发电工程。其中研究较多的现代燃煤发电机组有蒸汽压力为超超临界压力的火力发电机组和增压流化床蒸
34、汽燃气联合循环发电机级等。火力发电机组由锅炉、汽轮机和发电机组成。锅炉产生蒸汽,输入汽轮机使其叶轮转动并带动发电机转子旋转发电。由热力学可知,锅炉输出的蒸汽压力和蒸汽温度愈高则发电机组的发电效率愈高。水蒸汽的临界压力为22.13 M Pa,临界温度为374.15。当蒸汽的压力和温度超过或等于此值时,水和蒸汽已具有同样物理性质,实际上形成一种单相的超临界流体。火电工程上将输出蒸汽的压力和温度显著超过其相应临界值的锅炉称为超超临界压力锅炉。一般亚临界压力的火力发电机组的发电效率为40%,而采用超超临界压力发电机组可将发电效率提高到45%49%。这样就大量节省燃料并可有效减少锅炉污染物的排放。超超临
35、界压力锅炉除了要解决其燃料系统、燃烧系统、除尘系统、排粉机和引风机等一系列气固两相流问题和水力除灰的液固两相流问题外,还需解决独特的多相流体力学问题。例如,在锅炉启动或低参数运行时,工质由低于临界压力的汽水混合物,随着压力上升转变到超临界压力单相工质时的瞬态具有热交换的多相流体力学问题。例如,何时发生会导致爆炸事故的传热恶化问题,瞬态流体流动特性问题以及为了防止传热恶化而采用的强化传热管的流动和传热问题等。因而要研制开发和运转这种火力发电机组必须进一步研究多相流体力学。有望成为新一代高效洁净火力发电机组的另一种机组为燃煤增压流化床燃气 蒸汽联合循环机组。这种机组的第一个特点为采用流化床燃烧的蒸
36、汽锅炉。煤和石灰磨成细颗粒后从进料口进入炉膛。空气从炉膛底部经布风板均匀进入炉膛并向上流动。炉膛中的燃料颗粒等在上升气流作用下上下翻滚呈流态化燃烧。由于燃烧温度较低,可有效减少烟气中的氮氧化物生成量。加入的石灰颗粒在燃烧时可有效抑制硫氧化物的生成。因而一般可免去或减少在锅炉后装设昂贵的排烟脱硫硝环保装置。这种机组的第二个特点为其发电量由蒸汽轮机和燃气轮机联合供应。锅炉产生的蒸汽供蒸汽轮机带动发电机发电。锅炉布置在一个高压空气罐内,炉膛中的压力可达1.6 M Pa。炉膛中燃煤产生的高压烟气自锅炉排出并经旋风除尘器除尘后可输入燃气轮机。使其叶轮高速转动并带动发电机发电。此外,高压烟气同时还驱动另一
37、燃气轮机带动压气机向高压空气罐输入高压空气。这种联合循环机组的发电效率可达45%48%且电站尺寸也要比常规电站的小得多。这种新型火力发电机组中存在大量多相流体力学过程。锅炉燃料输入为气固两相流问题。煤粒和石灰石颗粒在流化床燃烧和流动是在增压下,具有化学反应和传热传质过程的多相流体力学问题。带灰粒烟气在旋风除尘器中分离是气固两相在高温下分离的气固两相流问题。含微粒烟气在燃气轮机中的流动过程是稀相气固两相流在旋转机械中的气固两相流体力学问题。此外,和常规凝汽式电站一样,还存在蒸发管中汽水混合物的流动、传热,蒸汽轮机和凝汽器中的湿蒸汽两相流和凝结等有相变的气液两相流体力学问题。在核能发电方面,常规压
38、水堆核电站因反应堆出口水冷却剂温度较低,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
39、熔解的锂层吸收并将其传给置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?302?自 然 杂 志 28卷4期专题综述文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M
40、7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M
41、3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O
42、4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W
43、10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码
44、:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R1
45、0Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F
46、5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10文档编码:CL8R10Y5S8F5 HG4M7M9A5M3 ZS6O4I7I8W10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。多相流体力学除了在现代火电和核电工程中的重要用途
47、外,在化工、制冷、气力输送或液力输送、叶轮机械、石油、宇航、生物、环保及海洋等现代工程中都得到重要应用。在现代化学工程中存在各式各样的蒸发器、重沸器、结晶器以及三相流化床。在这些设备中都存在具有热交换的两相流及三相流的复杂流动和传热问题。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。在管道中应用气流输送粒状物料的气力输送工程与气固两相流体力学
48、关系密切。以往常用的吸送式和压送式气力输送设备一般只能在颗粒浓度较小的工况下输送物料。在多相流理论指导下开发研制的气刀式脉冲气力输送设备就因可输送高浓度物料而被称为第三代气力输送装置。这种装置采用定期开关进料阀和进气阀的方法使输料管中形成间隔布置的料栓和气栓,并利用气栓压力推动前一个料栓在管中流动。其工作过程中存在一系列特殊而复杂的不稳定气固两流体力学问题,如不加解决,此设备也无法研制成功。现代管道液力输送工程是一种采用液体输送浆料或其他物料的较新输送方法,可长距离输送煤浆、沥青浆、灰渣、纸浆、矿砂、泥砂和石砾等。这种输送装置的主要理论基础即为多相流体力学中的液固两相流理论。在现代叶轮机械工程
49、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。在现代石油工程中也存在一系列复杂的多相流体力学问题。诸如各种垂直和倾斜油井井筒中的油、气、水、砂四相流动问题,油气储运中的长距离油气混输问题和油气分离问题等。要提高采油率、降低采油成本和采用新的采油方法如应用二氧化碳采油等也必须研究多相流体力学理论。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
50、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,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。多相流体力学在现代生物