图4 两相流的摩擦损失与空隙率的整理方式
2.3.2 向高压域的推广
上述的L-M曲线是根据大气压附近的实验值制作的,所以它不可能对高压饱和蒸汽-饱和水两相流也原封不动地适用。Martinelli和Nelson为此目的把L-M曲线推广制成图5那样的各种压力的曲线(M-N法),这些曲线是以下方法作出的:首先,原封不动地应用饱和蒸汽-饱和水两相流在大气压下的曲线即L-M曲线,然后由如下理论确定临界压力曲线。
[5]
图5 对应于各种压力的摩擦损失比与空隙率的关系
临界压力下的流体流量 (看作气体)加上流量为 的流体(看作气体,是在临界压力下与流量为 的流体具有同一性质的流体)时,其混合物(看作两相流)的摩擦损失 为:
(2.17)
式中 是流量为 时的摩擦系数,由式(2.8):
(2.18)
式中 是流量为 时的摩擦系数。把式(2.18)代入式(2.17),则临界压力下的 为:
(2.19)
另一方面,对于(t-t)领域,由式(2.15)有:
(2.20)
在临界压力的情况下,因 , ,故 ,由此和式(2.19)得:
(2.21)
图5的临界压力下的曲线是式(2.21)的值,对于大气压下的 曲线之间各压力的曲线是参照实验值内插定出的,图中还表示了各种压力对 的关系。
2.3.3 一般管系压力损失的整理方法(Chisholm法[6])
Chisholm导出的 与X关系的基本形式说明于下:干度为X的单位断面面积平均重量流量G的两相流的连续性方程式,对于图3.1的模型有:
, (2.22) (2.23)
式中 是平均速度, 是平均比容。而动量方程为:
(2.24)
由式(2.22) (2.24),得 为:
(2.25)
另一方面,关于压力损失,若各相为湍流。粗糙面的场合,则摩擦系数由于 不变而与雷诺数无关,设各相单独充满管断面时的摩擦损失分别为 , ,则
由此两式可得:
(2.26)
(2.27)
(2.28)
而两相流的摩擦损失 也可以与式(2.26)同样的形式表示:
(2.29)
若假设 的值等于单相流的值,把式(2.25) (2.28)代入式(2.29),整理得:
(2.30)
(2.31)
(2.32)
在这种粗糙管的假定下, 与X或 与X的关系就由理论上求得了。在式(2.31)中,令 的曲线与图3.2所示的L-M曲线(它是对于光滑管的)很一致。这样就可以认为(2.31)的形式不仅对于粗糙管,而且对于光滑管、弯头、阀门等局部损失也是使用的。此外,根据更详细的解析,C值可表示为:
式中常数A由实验确定,其结果列在表1中。
表1
(2.33)
3 两相流空泡率的测量
空泡率( )是在任意流通截面上两相混合物中气相所占截面与总截面积之比,或称为气相的时间平均面积份额,有时也称为真实容积含气率。它是描述两相流动特性、测量两相流流量的基本参数之一:
[1]
式中, 为液相所占截面积, 为气相所占截面积, 为两相混合物总截面积。
目前开发出了许多有价值的空泡率测量方法,其中包括平均空泡率测量方法和局部空泡
份额测量方法,这些方法本身有各自的局限性和一定的针对性。
3.1 快速关阀法
快速关阀法是平均空泡率测量方法的一种。这种方法是用前后两个快速切断阀,在适当时刻,使阀门迅速动作,瞬时切断一段容积,称量该容积内液体部分的体积和总流通体积,以确定平均空泡率。
图6表示了这种快速关阀法的示意图。测量时,上下两个快速切断阀能在几毫秒内同时关闭,把液体和气体关闭在实验段中。由于每次测量时要切断系统,为了防止系统中产生有害的压力瞬变过程或水阻,在关闭阀的同时旁通阀应该同时打开,实验段中的水和气通过冷凝器冷凝后,全部排入小瓶中,就可计算出空泡率。
图6 测量空泡率的快速切断阀
由于关闭阀门需要时间,因而在此期间流道内的流型原则上来说会发生变化,因而会存在误差。但实际上只要两个阀门能够迅速同时启闭,测量误差就可略而不计。测量不受热的管道中的空泡率,两阀门可以采用机械联动方法或采用电磁阀以保证同时启闭,对于受热的高温汽水混合物测量,则需采用专用的快速启闭阀门。
3.2 γ射线衰减法
γ射线衰减法是应用较广的测量空泡率的方法。当γ射线射过物质时,射线强度会发生衰减。对于密度不同的气液混合物,较密的一相能吸收更多的射线,因此,γ射线衰减法就利用γ射线通过不同密度的两相时减弱程度不同的特点,来测定气液两相流的空泡率。
γ射线穿过两相流通道时,其出射强度将遵守以下的指数衰减规律:
(3.1)
式中, 是出射射线强度, 是入射射线强度, 是管壁厚度, 、 、 分别是管壁、气体、液体的吸收系数。
使用γ射线测空泡率,是测量气液两相流的某截面或某弦线上的平均截面含气率。测量前需要首先测定单纯是液体或气体充满时的射线强度 和 。因为γ射线不仅在实验流体中有所衰减,而且压力管和实验管的管壁也会使γ射线减弱。因此,在实验前需要预先做一两次校准实验,即先做管中全部充满液体的实验,然后做充满蒸汽的实验,这样就可以求出管壁中γ射线的衰减情况。
当流道中全部为液体时:
(3.2)
当流道中全部为气体时:
(3.3)
假如射线源强度 保持不变,则空泡率可由式(3.1)、(3.2)、(3.3)联立得:
(3.4)
使用上述公式测量和计算空泡率必须满足如下两个条件: (1) γ射线必须垂直照射在通过的物质上(如图7所示); (2) γ射线源射出的γ粒子必须具有相同的能量。
图7 垂直于射线的气体层和液体层示意图
图8给出了γ射线衰减法的测量原理图。图中左侧是带防护罩的γ射线源,γ射线经过准直器使很小的一束γ射线进入实验段,γ射线经过实验段被减弱,再经过另一准直器进入