第三章 水平管内气～液两相流流型及其转换特性研究
3.1引 言
近几十年来，国内外对气～液两相流动问题开展了广泛深入的研究，取得了一定的进展，但尚有若干理论不够完善，特别是关于流型的划分和流型转换特性等方而有许多问题还未能取得共识，许多工作还有待于深入研究。
为此本节以空气～水为工质，对水平管内气～液两相流流型和转换规律进行了研究。
3.2试验设备和方法
图3.1 空气～水两相流实验系统
1——水箱；2——水泵；3——水旁路；4——水流量计；5——压力表； 6——空压机；7——稳压器；8——气旁路；9——测温点；10——混合器；
11——实验段；12——分离器；13——空气流量计
全部试验是在空气—水两相流试验台上进行的，如图3.1所示。其运行流为: 储存在水箱中的水经水泵送入试验系统，经流量调节阀调节流量后，通过水转子流量计侧量流量，空气经空压机加压后送入试验系统，经流量调节阀调节流量后，通过空气转子流量计测量流量，空气和水经流量计测量流量后进入气～液混合器，混合成两相流体，然后经管路进入试验段进行两相流动测试，从试验段出来的气～水混合物经气液分离器分离后，空气排空，水重新注入水箱循环使用??。
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试验段采用Φ32×3有机玻璃管制成，试验段两端采用环室取压，两取压点距离1500mm，压差采用差压变送器测量，差压变送器将差压信号转换为电信号，用毫安表测量，再通过转换将电流信号转变为电压信号，接于函数记录仪记录压差波动信号。 试验条件如下: 工作压力P 0～0.6MP
空气流量QK 0～40 m3/h 水流量Qn 0～4 m3/h 温度t 16～22℃
3.3试验结果及分析
3.3.1流型图
本文流型的鉴别采用目测法和差压波动法相结合的方式。压差波动法鉴别流型的基本原理是:气～液两相流动时，两相之间存在复杂的质量、动量和能量交换，使得局部区域流动结构不断发生改变，这一情况在两相压力上充分体现出来。流型不同，两相流动扰动度不同，因此当不同流型的两相流体流过压差侧量段时，就会得到不同的压差波动信号，用压差波动信号法判别流型正是利用这一特性。
图3.2 气——液两相流流型图
Sg分层流型区 Xg波状分层流型区 Ig间歇状流型区 Bg细泡状流型区
Ag环状流型区 ⊙g不可分辨区
1
试验结果表示在以两相折算流速为坐标的图3.2上，该图分为五个区域，分别是分层流型区，波状分层流型区，间歇状流型区，环状流型区和弥散状流型区。各流型间转换并非突变，而是存在过渡区，在图3.2上用斜线表示过渡区?17?。
分层流型出现在较低的两相流率下，该流型出现范围较窄，两相折算流速稍有增大，即向波状和间歇状流型转变;出现分层流动时，若保持液相流率不变，提高气相流率到一定值后，形成波状分层流型；出现分层或波状流动时，若保持气相流率不变，提高液相流率到一定值后，就会出现间歇状流型，本流型图将泡状流归入间歇流，波状或间歇状流型条件下，增大气相流量，由于惯性力作用，气相将以气柱的形式在管道中央偏上的区域运动，液相分散于管道四周形成液膜，该流动型式即为环状流型，弥散泡状流型出现较高的液相折算流速下，以气相离散气泡的方式分布在连续的液相中，当液相折算流速超过一定数值后，两相流动将以弥散泡状流型的形式存在。
通过与传统流型图比较发现，该流型图基本上能反映双组分介质流型的变化规律。
3.3.2流型转换特性
两相流动现象十分复杂，影响流型的因素有许多，如物性、流动参数、流道形状及位置等。由量纲分析，可以得到反映流型变化规律的无因次关系式:
Fflowpattern=F(ReL,Frg,?L/?g,ku) (3.1) ,Frg=
其中： Re=
VLd?LVg2gd,
?L ,
ku=
?g(?0.5Vg?gL??g)??0.25式中，?L液相密度，?g气相密度，d管道内径， Vg气相速度，λ表面张力，?L液相动力粘度,?g气相动力粘度，g重力加速度。
显然各流型转换物理机制不同，上式中各无因次准则的作用也不相同。有必要针对不同流型转换的特点，找出起主导作用的准则，忽略次要因素，建立流型转换的准则方程式。
1.分层～间歇流型转换
从流型转换的力学角度看，气相惯性力、液相重力和表面张力的综合作用，决定分层—间歇流型的转换。显然，气相惯性力有助于界面波的产生和发展，促使流型由分层向间歇流转换;而液相重力和表面张力抑制界面波的发展，不利于流型由分层向间歇流转换。其中表面张力对小管径(d < 10 mm)以下的转换有‘明显的影响，但对其他尺寸的管道影响很小，这里不考虑表面张力的作用??。
18由上面的分析，可以确定代表分层—间歇流型转换的主要无因次准则有: Frg：反映气相惯性力的影响，可表示如下:
1
VgVL:反映两相相对运动的影响。分层～间歇流型转换关系式
FSt?In=F(VgVL,Frg) (3.2)
2.间歇～环状流型的转换
气相惯性力在促使流型由间歇向环状流转换中起主要作用，而液相重力阻碍环状流的形成，此外，表面张力、液相粘性力对环形液膜的形成也有影响，然而威尔斯曼发现粘性力对于环状流形成影响不大，故反映间歇～环状流型转换的主要无因次准则有: Frg,VgVL和ku其中ku是考虑两相密度差和表面张力的影响。流型转换关系式可表示为:
FIn?an=F(Frg,ku,VgVL) (3.3)
3.向弥散泡状流转换
弥散泡状流型发生在液相流速较高的区域，当液相湍流雷诺应力克服促使气泡上升、团聚的浮升力时。发生向弥散状流型的转换。引入无因次准则T:反映作用在气体上的湍流作用力和浮力比,S:表示表面张力和浮力的影响?19?。
??dpdz?L?其中： T=??(???)g??g?L? S=
0.5 (3.4)
?
(?L??g)gd2则向弥散状流型转换的关系式可表示为:
Fdlnd=F(T,S)
4.平滑分层流向波状分层流的转变
在气液两相分层流动中。气液两相均匀连续相，气液界面存在着两种型态，即平滑分层界面和波状分层界面。这两种分层流动结构的压力降和截面相份额有着明显的区别。在平滑分层流中。当气相速度增加到足够在界面产生稳定的波而又不至于发生向间歇流和环状流转变时，波状分层流就出现了。
根据前人的研究结果，系统的稳定性主要受三种影响因素控制，即重力、表面张力和气液界面的相对速度。重力项在分层流中起稳定作用;表面张力由于具有保持流体表面积最小的性质，而平滑的界面具有最小的表面积，因而也总是起稳定作用;相对速度这一控制因素反映了伯努利定理中的压力的影响，它有促使波产生和增长的作用。是一种不稳定因素。可认为表面张力对波的初始产生有重要作用，随着气相速度的增加，气相与表面张力共同作用在气液界面上，使气液界面发生变形，在随后的过程中，变形了的界面在表面张力效应和伯努利效应的共同作用下。维持着波状分层流的继续和发展。
综合上述分析，引入以下无量纲准则数:
2?gUsg F= (3.5)
(?o??g)gd2 Weo=
2Uso?od? (3.6)
1
式中F——修正的佛罗德数; ?g——气相密度;
?o——油相密度; Usg——气相折算速度;
Uso—— 油相折算速度; g ——重力加速度;
d——管子直径; Weo——油相韦伯数;
?——表面张力系数。
图3.3平滑分层流向波状分层流的转变
修正的佛罗德数F为气相惯性力和重力之比，它反映气相惯性力克服液相重力维持波状分层流的特性，同时气相惯性力的大小亦反映气相速度的大小，所以，这一项也就是表现了伯努利效应的大小。表面张力对波状分层流转化的影响则以油相韦伯数来表示??。于是，从平滑分层流向波状分层流转换边界曲线的准则方程式可以表示
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