Гидродинамика двухфазного потока (одномерное течение)

Двухфазный поток — это совместное течение жидкой и паровой фазы одного вещества. Течение жидкости и газа или жидкости и твердых частиц — это течение двухкомпонентного потока.

При этом потоки:

• — жидкость + твердые частицы — это суспензии;
• — газ + твердые частицы — это запыленные потоки.

Особенности:

• — существование границ раздела и взаимодействие на границах;
• — сжимаемость пара (газа) существенно выше, чем жидкости и твердых частиц.

Двухфазные потоки могут быть:

• 1)
• — гомогенными, когда фазы распределены равномерно по объему;
• — гетерогенными — в противном случае;
• 2)
• — адиабатными, когда нет теплообмена между потоком и стенкой;
• — диабатными, когда есть тепловой поток на стенке;
• 3)
• — термодинамически равновесными, когда фазы имеют одинаковую температуру;
• — динамически равновесными, когда фазы имеют одинаковую скорость;
• — неравновесными, когда температура и (или) скорости фаз различаются.

На рис. 9.12 показана качественная диаграмма использования потоков, включающих несколько фаз (компонентов).

Рис. 9.12. Диаграмма использования потоков, включающих несколько фаз (компонентов):

II — границы определяются легкой фазой (межфазные границы подвижны); I — однофазное течение (межфазные границы неподвижны); 1 — псевдосжижение; 2 — суспензии; 3 — осаждение; 4—10 — процессы в установках: 4 — котлы, 5 — химические установки и ядерные реакторы, 6 — форсунки и ядерные реакторы, 7 — конденсаторы, 8 — распылители, 9 — угольные горелки, 10 — пневмотранспорт, 11 — псевдосжиженный слой

Параметры двухфазного потока

Истинное объемное паросодержание:

Рис. 9.13. Схема движения двухфазного потока

„ , Г кг ”| м³

Расходы фаз — ; — : с J с

• — массовые: G' и G";
• — объемные: V' и V".

F — площадь поперечного сечения потока, м²: F' — жидкости; F" — пара.

у' + у" ± const (в общем случае, при G = const).

Объемное расходное паросодержание:

Массовое расходное паросодержание:

Скорости:

— приведенные скорости фаз:

— истинные средние скорости фаз:

или

— массовая скорость:

— скорость смеси:

— скорость циркуляции (условная скорость):

Скольжение (динамическая неравновесность), если со' Ф со": co^z/

— S =--коэффициент скольжения;

со'

— %тн - ~ ^0)/ — скорость скольжения;

_ * 1~ФР Р 1-ф

1-х ср р" 1-р ср

или ср =-----------; ср = В, если S = 1.

P + S(1-P)’^T

Плотности:

— истинная плотность смеси

— средняя (условная) плотность смеси

1 — //"1 Л // ^— 1’ Ф ^— Р’ Рем ^— Рем 5

или—= i)_CM = o(l-x) + D х,при

Рем 1? ф Pj Рем Рем*

Балансная энтальпия потока

(х_б может быть меньше 0 и больше 1).

Термодинамически равновесные потоки —> х = х_б.

В общем случае h - h'(l - х) + h"x.

Режимы течения двухфазного потока

Рис 9.14. Режимы течения двухфазного потока на примере вертикальных (а) и горизонтальных (б) труб:

• 1 — пузырьковое течение (режим); 2 — снарядное течение (пробковый режим); 3 — эмульсионный (вспененный) режим; 4 — дисперсно-кольцевое течение; 5 — дисперсный режим; б — слоистый режим; 7 — волновой режим;
• 8 — поршневой режим

Рис 9.15. Наиболее простая диаграмма режимов в осях (рш)_см, х_б:

для воды при d = 12,7 • 10^-3 м, Р = 7 МПа^[1]; 4* — кольцевое течение, другие режимы согласно примеру режимов течения на рис. 9.14.

Течение двухфазной смеси в канале (вынужденное) и характер изменения основных параметров по длине канала (q = const)

Рис. 9.16. Один из возможных вариантов течения

На рис. 9.16 изображен один из возможных вариантов течения, характерный для прямоточных теплообменных аппаратов:

• 1 — зона подогрева (экономайзерная), t_BX < ?_ж < t_Hк;
• 2 — зона поверхностного кипения, t_{H к} < Т_ж = t_s;
• 3 — зона развитого кипения, Е_ж ~ t_s;
• 4 — зона высыхания пленки, ?_ж = t_s;
• 5 — зона кризиса теплообмена (ухудшенный теплообмен);
• 6 — зона испарении капель жидкости (дисперсный режим);
• 7 — зона перегрева пара;

А — начало кипения;

В — х₆ = 0;

С — наступление дисперсно-кольцевого режима течения;

D — (сечение кризиса) начало ухудшения теплообмена;

Е — наступление дисперсного режима течения;

F — x₆ = l.

Подробнее о зоне 2.

Рис. 9.17. К детализации процесса поверхностного кипения:

z_{H г} — точка начала генерации пара (точка активации центров парообразования), неподвижные пузыри — рост и конденсация без отрыва; г_{и г} — начальная точка генерации пара (точка интенсивной генерации) — отрыв пузырей

• [1] Другим параметрам будет соответствовать другая диаграмма.