气液两相流理论分析模型及实验平台介绍

张威

摘要：介绍了气液两相流的理论分析模型，均相流模型、分相流模型、漂移流模型、双流体模型，各模型的特点及适用条件，为实验研究提供理论基础。并介绍了国家化工设备质量监督检验中心换热实验平台，为气液两相流实验研究提供支撑。

关键词：气液两相流；两相流模型；实验平台

伴随着管壳式换热器的普遍应用，两相流动及沸腾换热特性的研究越来越得到各国学者们的重视。两相流动及沸腾广泛存在于各个工业领域中，如工业锅炉设备中，水经过软化后通过电加热或者化石燃料燃烧加热沸腾，气化为水汽两相状态，过热的饱和蒸汽经过汽包，送至各类用户；产热电站及动力站也是通过各类热源的作用，使得原始介质发生相变产生两相或者多相介质直接或者间接作为动力及发电源动力；汽轮机、核反应堆堆芯、蒸汽发生器等等同样伴随着各类气液两相或者多相流动及沸腾换热现象。

一、气液两相流理论分析模型

（一）均相流模型

均相流模型是最简单的物理模型，结构示意图如图1。将气液两相流混合物看做是一种均匀介质，混合物的物性参数即两相介质各自参数的平均值。运用一般流体力学的研究方法，对气液混合物的平均流动特性进行确定和描述。该模型基于以下几项基础的假设：

1.气液两相的流速相等，故滑动比，滑差，流动密度都相等，把气液两相流体看作均匀流。

2.气液两相混合物处于热力学平衡状态。即气液两相的温度是相等的，且不存在热量传递。

3.两相流的摩擦系数基于单相流摩擦系数，且气液两相混合物物理特性遵循等熵变化。

这种均相模型一般适用于高速高压条件下的泡状流和雾状流。这是由于在一般实际情况下，两相流速是不可能相同的。只有在高速高压下两相流质混合才更加均匀。由于假设两相之间速度是相同的，其与实验计算值误差较大，随着质量流量的减小偏差逐渐增大。所以准确确定气液两相混合物的平均物理特性对于选择模型十分重要。

（二）分相流模型

分相流模型的结构示意图如图2。分相流模型将气液两相流的两相分别看作连续的有自身平均流速的单独流体，即气液介质有各自的物性参数，当气液两相流速相等时就成为了均相流模型。这种模型还考虑到了两相间的相互作用，分别对气液两相进行质量、动量、能量的守恒计算，并且还考虑了两相间三种物理量的交换[ ]。故该模型适合模拟计算气液两相流各种复杂工况。该模型基于以下几项基础的假设：

1.气液两相速度分别为恒定常量，按各自平均流速流动。

2.气液两相间虽存在质量、动量、能量传递，单两者保持热力学平衡。

3.运用经验关系式将气液两相间的空泡份额和摩擦因子和各自流体流动的物性参数变量进行关联。

因为将气液两相流之间的相互作用考虑在内，所以模拟计算成果较均相模型更加精确，故适用于较为复杂的环状流或分层流。但对于两相介质建立守恒方程时，需要考虑很多附加的因素和方程关系式，故带来计算量大，求解困难的问题。在此基础上只有对各部分流体流动机理，结构关系准确了解，才能提高计算精度。

（三）漂移流模型

漂移流模型是一种同时弥补均相流模型和分相模型缺陷的物理模型。它以热力学平衡的假设和气液两相平均的速度场为基础，兼顾考虑了均相流未考虑两相介质间相互作用，和分相流模型过分分离两相分别介质流动特性，而与实际气液两相流动之间存在的偏差。该模型展现了一个全新概念：漂移速度，即假设两相介质以某一个混合的速度流动时，气相向前或向后相对这个混合的速度存在有一个漂移速度，故气相对液相具有相反的漂移速度，从而保持了连续流动特性。在前两种物理模型基础上，考虑了空隙率和流速在流动分布规律，重点描述了气液两相间的相对运动。漂移模型除了质量、能量、动量基本守恒方程外，还包括一个混合动量和一个两相间相对运动的动能方程。其运用漂移速度来描述两相介质间的相对速度，并通过附加的连续性方程体现气液两相流的流动工况[ ]。

漂移流模型既有均相流模型求解简便的特点，同时也可以对气液两相局部特性进行较为准确的描述。因此该模型具体较强的适应性和普遍性，且在弹状流等某些特定场合，模拟计算结果更加精确。

（四）双流体模型

流体流模型是一种运用欧拉和拉格朗日方法描述气液两相流体流动工况的模型，结构示意图3。分别将气液两相都看成整个流场中的连续性介质，在对两相分别列出三大基本守恒基础上，考虑相变因素以及两相界面之间的相互作用力而产生的三大基本量的变化传递，同时结合连续力学将气液两相建立的两组方程组进行耦合。此种方式可以考虑到瞬态流动的结构以及各离散相运输过程中复杂的互相作用，由于数学关系式具有一定程度的非确定性，所以双流体模型的提出必须进行以下假设[ ]：

1.气液两相流过程中，气相和液相连续流体在计算区域的任意一点，以及时间与空间范围内都可以共同存在并且相互渗透，但各有其自身的物理特征，如速度，浓度，温度等。

2.气液两相流连续流动中，由于发生相变、流动间存在阻力、存在温差及自身湍流作用而引起的质量、动量、能量的交换及相互作用，在流场中具有连续的速度分布，体积分布，温度分布。

该模型只需假设气液两相流体充满流场且连续，可以研究任何流型的两相流。但是它既克服了均相模型没有考虑两相的差异，分相和漂移模型对两相相互作用描述过于浅显的缺点。但计算方面较为复杂，计算量较大，变量也较多。

二、实验平台

在氣液两相流动沸腾换热理论方面，国内外学者近年来大多专注于沸腾过程中气化核心形成及发展机理的研究：包括气泡的尺寸、密度、变化规律等，同时通过改变压降、热流密度、质量流速等参数进一步探索沸腾换热的机理和影响沸腾换热的实质原因。

在气液两相沸腾实验方面，国内外学者主要从换热机理出发通过改变管束结构尺寸、流量、入口干度、雷诺数、温度、压力等参数进行对比实验，在实验数据分析的基础上提出相应实验范围内的准则关联式和修正关联式。同样为工业换热器的设计，制造，运营等提供理论支撑。

目前，国家化工设备质量监督检验中心的换热实验平台，配备了齐全的换热实验设备，整个实验系统包括单相、沸腾、冷凝等实验模块，可研究在不同实验条件及不同规格的换热管下，气液两相流的流动与沸腾换热特性。

三、结论

本文介绍了气液两相流理论分析模型，及国家质量监督检验中心实验平台。换热实验平台可开展相应的实验研究，一方面可以与计算机模拟数据对比，验证实验的准确性，提高研究效率，另一方面可针对两相流沸腾，探究换热管内流体的流动和换热特性，将相关实验数据汇总，得到两相沸腾传热及流动特性相应关联准则数的拟合，为工业生产提供一定理论和实验支撑。