管内气液两相流流型研究现状与发展

房贤仕，李秋英，陈 杰，邱国栋，蔡伟华

(1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.中海石油气电集团有限责任公司，北京 100027)

管内气液两相流流型的研究是研究流动与换热规律的基础[1-2].在两相流动中需要判断出流动属于何种流型后，才能给出合适的理论模型.

Zhuang等[3-5]研究了甲烷、乙烷在水平管内两相流型，结果表明，流型转换基本与饱和压力无关，大换热温差会使段塞流向弹状流转换干度减小，对弹状流向波状流转换影响不大.Chisholm[6-7]总结了前人的成果，绘制出空气-水、R12的流型图，研究结果表明，随着气相速度增加，夹带作用会增强，流型会从泡状流逐渐变为过渡流与雾状流.Shao 等[8-9]比较了纯工质、共沸混合工质以及非共沸混合工质在水平管中的冷凝流动，当流型为波状流时，换热系数与质量流率无关，当流型为环状流时，换热系数随质量流率的增加而增大，对于滑移温度较大的非共沸混合工质，所有流型下换热系数均随质量流率增加而增大.Zhang等[10]开发了水平管内二元混合物冷凝计算模型，分析了R410A、R32/R134a混合物的冷凝换热情况，结果表明，对于环状冷凝，界面温度随干度的增加先增大后减小，转变干度随质量流率的增大而增大.

目前大部分对流型图的研究与传热或压降模型是分开的[11]，也有部分研究者仅给出了流型图并没有给出判别准则.例如Macdonald等[12]研究了水平管内乙烷/丙烷混合物的冷凝换热，仅从不同管径下对混合效应引起的换热恶化进行分析.Diehl[13]以空气-水、戊烷气液相混合物为工质开展了水平直列管流动特性，实验中观察到了环状流与雾状流，但并没有给出流型判别准则.本文将针对流型的划分方法、影响因素以及流型转换的判别方法进行总结，并给出了目前管内两相流流型存在的问题及研究难点.

1 流型的划分方法

常见的流型划分方法为两类，第一类是根据流体外观进行划分，也称之为形态学划分；第二类根据气相与液相的分布特征进行划分.由于实验方法和人为判断的差异，根据流体的外观进行划分存在一定的主观性，划分的名称也不统一.常见的划分方法是根据气体量来进行区分，由少至多分别为气泡流、塞状流(气团流)、分层光滑流、分层波浪流、段塞流(弹状流、冲击流)、环状流、雾状流.根据相分布特点将流型划分为分散流、间歇流、离散流.根据现象描述或流动机理分析来选择采用形态学划分或分布特征划分[14-19].

1.1 垂直上升管流型

垂直上升管中气液两相流型通常划分为五种流型[20].常见的为泡状流也称气泡流.其特征为液相中存在不同尺寸的气泡；第二种为气弹状也称弹状流，该流型由多个气弹构成；第三种为块状流，由气弹破裂后形成；第四种是流速较高下形成的长纤维形状流型；第五种为壁温升高后液膜随之汽化形成的雾状流.

1.2 垂直下降管流型

空气水混合物在垂直下降管内的流型包括六种[20].分别为细泡状流、气弹状流、下降液膜流、带气泡的下降液膜流、块状流、雾环装流.不同流动方向下的细泡状流型也不相同.当流量较小且核心为气相时，有一层沿着管壁向下流动的液膜，形成下降液膜流型；随着流量逐渐增加变为块状流；当气相流量增大到一定程度后变成含有液膜的雾式环状流.

1.3 水平管内流型

Breber[21]研究了水平冷凝管内的流型，当质流密度不同时，管内的出现的流型不完全相同，但是靠近入口段的流型是相同的，相同的流型依次为环雾状流、环状流和半环状流.之后二者的流型开始出现分歧，当质流密度较大时，之后的流型依次为弹状流、塞状流和过冷液体；当质流密度较小时，之后的流型依次为波状流、分层流，如图1所示.

图1 水平冷凝管内的流型

庄晓如等[22]对R170在水平光滑管(D=4 mm)内的两相流型进行了实验研究，压力1.5 MPa～2.5 MPa，质量流率100 kg/(m2·s)～250 kg/(m2·s)，观察到的五种流型，分别为塞状流、弹状流、过渡流、波状流和环状流.

中国科学院大学[23]对R600a在内径为6 mm的光滑水平管内的两相流流型进行了详细的实验研究.实验的饱和压力为0.215 MPa～0.415 MPa，质量流率100 kg/(m2·s)～250 kg/(m2·s).测试不同制冷剂的流动沸腾特性.在高速摄像的基础上，确定了四种主流流型：塞状流、分层波状流、段塞流和环状流.

周云龙等[24]提出了一种通过提取压差波动信号参数来识别水平圆管内流型变化的方法.

1.4 螺旋管内流型

螺旋管内向上流动的流型分类与水平管相近，主要包括分层流、柱塞状流、波状流、弹状流、环状流、分散泡状流6种.螺旋管下降流流型图与水平及微倾斜向下直管流型图相近.实验中未发现由波状流直接向环状流的转变，这与向上流动有些不同，郭烈锦[25]认为因向下流动时液相具有较高的流速，此时气相速度相对较低，液层也较薄所致在波状流、弹状流的判定和定义上与前人存在差别也是导致这一结果的原因之一.

陈学俊等[19]通过实验对工质为空气、水的气液两相流在立式螺旋管内流型变化进行了分析研究，把螺旋管内气液两相流流型分为波状流、柱塞状流、弹状流、环状流、分散泡状流5种.李兆谞[18]通过对不同管径、不同螺旋直径下的螺旋管进行实验研究，发现6种流型分类，螺旋管下各流型流动特征与直管存在差异，并提出了结合气泡弦长、液弹的长度、含气率来划分流型的方法，有助于消除流型识别主观差异，得到比较客观的流型图.

需要指出的是，目前的流型划分方法都是通过实验，根据形态来划分，这是非常粗糙的方法，无法描述流型的细节特性.例如冷凝管内冷凝液膜的存在，导致分层流或波状流的上壁面仍然被液膜覆盖，其流动与换热特性实际上与绝热管内有很大的区别的，但从形态学的流型划分角度无法区分这些细节特征.

2 流型的影响因素

流型影响因素较多，主要包括气液各相的流速、气液相物性参数、管道形状、流动方向等.下面介绍其中几种最主要的因素对流型的影响.

(1)气液流量

气相、液相流量是影响流型的最主要因素之一[19].当管径固定时，可通过表观速度来反映流量大小.目前多数工业使用的流型图均以气相、液相表观速度来划分.如曼德汉流型图，以空气、水为工质，横纵坐标分别为气相表观速度与液相表观速度.

(2)流体的物理性质

流体的物性参数也会影响流型的转换[19].例如，当液相速度相同时，液相粘度越大，气泡流转换为冲击流所需要的气体流量越小.

(3)管径

管径对流型过渡的也存在较大影响[19].随着管径增加，增加液相表观速度可得到段塞流，减小气相流速可得到环状流.

(4)倾角

流型的判断必须考虑倾角的影响[19].根据实验观测的结果，在下坡流中，几乎全部都是分层流，当气相速度较高时转变为冲击流和环状流.在不同倾角下，表现为不同流型.

3 流型转换判别方法

目前流型的判别主要分为两大类，包括经验判别法与理论判别法.经验判别法是基于已有的实验数据得到的流型图或判别式，会因不同研究者的实验工况以及考虑流型转变因素不同给出不同的结论.在流型转换的经验判别式中，不同参数的选取，如气液折算速度、截面含气率、We数、修正We数、Xtt数、Fr数或其他自定义的无量纲数等，具有随意性.因此通过流型图来判别具有一定的局限性，一般只适合于特定的工质、工况，当实际工况与实验得到的流型图工况接近时，用该方法判别流型较为准确，但当超出其实际实验数据工况的范围时，经验判别式的可靠性无法保证.

理论判别法是通过分析流型转换的机理并建立理论模型，得到流型转换界限，其中Taitel[26]提出的理论模型具有很强的代表性.之后，许多研究者在此基础上结合实验数据进行修改，从而发展得到半理论模型.理论判别法根据一定的流型转换机理推导而来，通用性比经验判别法要强，对不同工质、不同工况下，流型转换的机理可能存在差异，因此简单把适用于空气水的理论模型应用其他工质、工况下，未必适合，这也是目前经验判别式仍被大量采用的原因.目前对于理论模型的研究仍不完善，有待进一步探究.

3.1 垂直管内流型判别

3.1.1 Hewitt流型图

在气液两相流中，在两相流体物性、物理模型、热流密度确定时，可使用流型图来确定管内流型.流型图是根据实验结果绘制得出的，因此当使用流型图进行判别时，不应超出绘制流型图时的实验数据范围.Hewitt流型目前被广泛应用，具体流型图如图2所示[27]，该流型图基于空气水混合物的实验数据得出，管道类型为圆管，压力范围为0.14 MPa～0.54 MPa.

图2 Hewitt流型图

图2中横坐标为

(1)

(2)

公式中：ρl和ρg分别为液相密度与气相密度，kg/m3；νl和νg分别为液相的折算流速与气相折算速度，m/s；G为工质总质量流率，kg/(m2·s)；x为干度.

3.1.2 垂直管内流型理论判别法

图3 泡状流和弹状流(或块状流)之间的过渡

(3)

公式中：J1为液相折算速度，m/s；Jν为气相折算速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；ρl为液相密度，kg/m3；ρν为气相密度，kg/m3；σ为表面张力，N/m.

3.2 水平管内流型判别

Hajal等[28]基于HFC制冷剂(R134a，R125，R32，R410A，R236fa)在水平管内的流型数据，修改了Kattan等[29]的流型判据，考虑了对比压力的影响，分析认为低对比压力下截面含汽率适用于Axelsson模型[30]，高对比压力下适用于均相流模型，为了计算整个压力范围内的截面含汽率，Hajal等[28]将这两个计算模型进行对数平均，并在冷凝换热理论模型基础上用大量的冷凝换热系数实验数据验证该截面含汽率计算的可靠性，最后基于新的截面含汽率计算模型.

其流型的转换条件如下：

环状流：

G>Gwa，GxIA

.

(4)

间歇流：

G>Gwavy，G

.

(5)

分层-波状流：

Gstrat

.

(6)

分层流：

G

.

(7)

雾状流：

G>Gmist

，

(8)

公式中：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

3.3 倾斜管内流型判别

Mohseni[31]等研究了-90°～90°范围内不同倾角、53 kg/(m2·s)～212 kg/(m2·s)质量流率范围内R134a制冷剂凝结流在微翅片管内的两相流流型.他们发现，倾角为90°(垂直向下)时，流型在所有情况下都是环状的，而倾角为60°和30°时，则是环状、半环状和分层流.Lips和Meyer[32]通过实验对工质为R134a的制冷剂在内径为8.38 mm的倾斜管内冷凝过程进行分析研究，给出了不同质量流率、不同干度、不同倾角、不同流动方向下的流型.结果表明，当流量或干度较小时，倾角对于流型影响明显，而对于高质量流量或干度，无论倾角如何，流型通常是环状流.

3.4 螺旋管内流型判别

陈学俊[20]等对空气-水两相流在立式螺旋管中的流型进行了实验研究，将柱塞状流和弹状流看成统一的间歇状流，此时包括以下几类流型，波状流、间歇状流或环状流、分散泡状流.根据实验数据给出以下三条转换边界，如下式所示.

波状流与间歇状流或环状流转换：

(14)

间歇状流与环状流转换：

(15)

间歇状流与分散泡状流转换：

(16)

(17)

(18)

公式中：σ为0.07 N/m，α为螺旋上升角.

4 结论与展望

本文针对管内气液两相流流型研究进展进行了较为全面的整理总结，结果表明，流型受到多种因素的影响，而且不同流动形式无法用同一种过渡准则来进行判别与预测.虽然1966年Hubber和Dukler提出了定量分析方法，推动了流型过渡条件的研究但仍有很多未能完全解决的问题：

(1)目前大多数过渡曲线以二维坐标来表达，但影响流型的参数过多，二维平面坐标系难以实现多参数影响.

(2)现有流型图绘制方法因存在主观人为判断因素的影响，导致流型图存在偏差，需要寻找定量化测量的方法和识别技术.

(3)一些对流型影响的因素及规律尚未被充分认识，不同工质在不同工况下流型转换机理不同，大部分机理尚未被充分认识，目前的机理研究主要基于空气-水的实验数据，具有局限性，有待进一步研究.