气液两相流_阎昌琪
修订前言
本书出版发行后，经过十几年的教学使用，效果良好。在本书的使用过程中，许多 任课教师对本书的内容提出了一些意见和建议，特别是哈尔滨工程大学的黄渭堂教授、 曹夏昕副教授等提出了许多具体的修改意见，在此向他们表示衷心地感谢。
根据读者和教师反馈的意见和建议，本次修订对原书部分内容进行了修改和重新 安排。考虑到内容安排的合理性，删去了第一章第五节的内容，在第四章中增加了第八 节，该节涵盖了原书第一章第五节的内容，并对原内容有所补充。将原书第二章中的部 分内容调整到了第五章，这样有利于教学内容的循序渐进，使内容编排更加合理，减少 了原书的错误和纰漏，但由于时间仓促，难免还存在错误和不当之处，希望读者给予批 评指正。
前 言
两相流是在流体力学与传热学基础上发展起来的一门新兴学科。它广泛应用于 动力、石油、化工以及其他一些工业过程。由于核动力技术的迅速发展，这一学科引起 了各国学者的重视，开展了广泛地理论研究和实验研究，取得了很多研究成果。
本书依据作者所编的核动力装置专业的两相流选修课讲义，并在教学实践和科研 的基础上，补充了作者的研究成果，引用了国内外有关资料，补充改编而成。书中主要 介绍了气液两相流的基本原理和基本处理方法，着重介绍管内气水两相流的机理和基 本规律，并注重介绍这些基本规律与工程实际的关系。
两相流动现象在热能动力装置及核动力装置中是经常发生的，例如核动力装置中 的核反应堆、蒸发器等一些主要设备中都存在着两相流动问题。两相流的气相含量、 压降及传热特性对这些设备的影响很大。掌握两相流动特性的变化规律和计算方法， 就可以使所设计的设备有良好的热工和流体动力学特性，避免造成设计上和运行上的 失误。因此两相流的研究在核能及热能动力工程中是非常重要的。
本书可作为高等学校核动力工程专业和热能工程专业本科生教材或研究生教材， 也可供其他有关专业的师生和工程技术人员使用。
本书由黄渭堂副教授主审。郭镇明副教授为本书的出版提出了许多宝贵意见，在 此深表谢意。
由于编者水平有限，书中可能存在不少缺点和错误，敬请读者批评指正。
编 者
1995年2月
第一章 两相流基本参数及其计算方法
第 一 节 基 本 概 念
两相流动是指固体、液体、气体三个相中的任何两个相组合在一起、具有相间界面的流 动体系。可以由气体-液体、液体-固体或固体-气体组合构成，是自然界和工业应用中一 种常见的流体流动现象。例如，液体沸腾、蒸汽冷凝、血液流动及石油输送等，都是一些普通 的两相或多相流动体系。
两相流动体系可以是一种物质的两个相状态，也可以是两种物质的两相状态。因此，可 以分为单组分两相流动和双组分两相流动。单组分两相流动是由同一种化学成分的物质的 两种相态混合在一起的流动体系。例如水及其蒸气构成的汽-水两相流动体系。双组分两 相流动是指化学成分不同的两种物质同处于一个系统内的流体流动。例如空气-水构成的 气水两相流动体系。广义上，实际中还有一些双组分流动，是由彼此互不混合的两种液体构 成，例如油-水两相流动。
双组分两相流动与单组分两相流动定义虽有一些差异，但其流动所遵守的基本守恒方 程和数学模型是相同的。在不涉及相变的情况下，可将它们按同一种物理现象处理。
流体在加热过程中会发生相变而形成两相流动。沸腾是一种很常见的物理现象，在沸 腾过程中必然伴随有两相流动。这一过程中的许多两相流动特征，如流动不稳定性、空泡的 分布特性、阻力特性等，对水冷核反应堆、蒸汽锅炉、蒸馏塔、制冷设备和各种换热器等的工 作过程都有重要影响。气体和液体都是流体，当它们单独流动时，其流动规律基本相同。但 是，它们共同流动与单独流动有许多不同之处。这使得单相流中的许多准则和关系式不能 直接用来描述两相流。
近几十年来，由于传统工业和新兴工业，如化学工程、冶金工程、核工程、航空与航天工 程等的迅速发展，促进了两相流动的研究和应用，使它发展成为一个独立的研究分支，得到 了广泛地重视。但是，由于固有的复杂性、多样性以及测量手段的局限性，到目前为止，无论 是在理论上，还是方法上，这一研究尚处于发展阶段，而且，在今后一个较长的时间内，将继 续是一个各抒己见，实验性强，充满着机会和突破的学术领域。
在气液两相流动中，两相介质都是流体，各自都有相应的流动参数。另外，由于两相介 质之间的相互作用，还出现了一些相互关联的参数。为了便于两相流动计算和实验数据的 处理，还常常使用折算参数(或称虚拟参数)。这使得两相流的参数比单相流复杂得多。本 章就两相流中的一些主要参数予以讨论，并给出计算关系式。
第 二 节 气相介质含量
气相介质含量，表示两相流中气相所占的份额，它有以下几种表示方法。
一、质量含气率x
质量含气率是指单位时间内，流过通道某一截面的两相流体总质量M 中气相所占的比 例份额。
式中 M”,M’——气相和液相的质量流量，kg/s。
称为质量含液率。
二、热力学含气率x
在有热量输人的两相流系统中，经常使用热力学含气率的概念。热力学含气率，在有些 文献中也称热平衡含气率，它是由热平衡方程定义的含气率，可根据加人通道的热量算出气 相的含量。由热平衡方程
在欠热沸腾的情况下，两相流体的焓i 小于饱和水的焓i', x 小于零。对于过热蒸汽， i>i”, 此时x 大于1。因此热力学含气率可以小于零也可以大于1,这是它与质量含气率的 主要差别。
三、容积含气率β
容积含气率是指单位时间，流过通道某一截面的两相流总容积中，气相所占的比例份 额。其表达式为
四、截面含气率α
截面含气率也称空泡份额，是指两相流中某一截面上，气相所占截面与总流道截面之 比。其表达式为
式中 A”,A′——气相和液相所占的流道截面积。
同样
称为截面含液率。
在两相绝热的稳定流动情况下，两相质量流量是不变的，所以在等截面流道的任意截面 中，α均相等，即A 不变，A',A”也为常数。于是有
式中 △L—— 一小段管长，m;
△V”—— 存在于△L 管长中气相的容积，m³;
△V。—— 存在于△L 管长中两相流总容积，m³。
从这里可以看出β与α的区别，β表示流过通道的气相容积份额，而α则表示存在于流 道中的气相容积份额，两者的意义是不同的，由于气相介质密度比液相介质密度小，所以α 越大则存在于流道中的两相介质密度越小；反之密度越大。β不能表示出这种特性，由于气 液两相介质的流速并不相同，所以流过某一截面的气相体积流量和总体积流量之比，并不等 于存在于流道内的气相介质容积和流道内两相介质总容积之比。这一点可以由β和α的定 义直接导出。
式中 W”,W′—— 气相和液相的流速。
比较式(1-12)和式(1-13)可以看出，如果两相流体中气相速度 W”等于液相速度 W, 亦即两相之间没有相对滑动时，则α等于β值，否则两值不等。在两相流系统中，由于两相 的密度不同，其受力情况也不同，因此都不同程度地存在滑动。两相之间滑动的大小用滑速 比 S 来表示，S=W"/W’。引入滑速比的概念后，可以把式(1-13)改写成为
而β与α之间的关系为
在两相流通道中求出x 后，可利用(1-8)式很容易求出相应的β值。但是，截面含气 率α的计算，涉及到气液两相真实速度的比值S, 这就给α的计算带来很多困难，在后面我 们要专门讲α值的计算问题。
原资料见附件
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