多相流大作业

多相流理论与应用

大作业

学 院： 机 械 工 程 学 院 专 业： 动力工程 班 级： 研13级7班 学 号： 2111302232 学生姓名： 顾桢标 指导老师： 马艺 提交日期： 2013年 6 月 10 日

多相流学习报告

——我和多相流

1. 多相流理论发展

在1914年，全球范围内就已经出现对气液混合物的研究，包括多种经典的计算井筒压力梯度的方法。

1963年的Duns-Ros方法、1965年Hagedorn-Brown方法、1967年的Orkiszewski方法、1972年的Aziz-Govier方法、1973年的Beggs-Brill方法、1986年的Hasan-Kabir方法等。但是由于其流动机理的复杂性及其不同压力和温度下的流体性质参数计算结果准确性低的限制，使得一直没有一种准确性高、适应性广、能够满足工程计算需要的方法。

近几年，多相流理论又出现新的进展。2001年，Kaya等人把前人的力学模型进行了总结与修正，首先预测流型，再利用每种流型的水动力模型计算直井和斜井中的两相流的流动性质。他们从理论和实验上研究和确定了直井流动的五种不同流型：泡流、分散泡流、段塞流、搅动流和环流。经过研究，证明此模型也同样适合于斜管。作者对这种模型进行编程运算并应用到我国某油田35口井的现场数据验证的结果表明，本模型的总体误差较小，准偏差较低，计算精度较高，能够满足工程计算的需要。

多相流本身是非常复杂的，还必须进一步对它进行研究以找出尽量准确的模型。这不仅意味着要进行更多的理论推导，而且也要做更多的实验。为使模型能准确反映当地情况，必须取全取准资料。一方面是对流压大小影响较大的生产油气比、含水率等生产资料。另一方面是对计算准确程度影响较大的当地不同温度和压力下的流体性质参数资料，以便为模型提供值得信赖的准确的数据基础。

2、多相流的应用

在工程设备中，多相流工况不可避免。在动力、核能、化工、石油、制冷、冶金等工业中就存在各种气液两相流工况。在核电站、火力发电站中的各种沸腾管、各式气液混合器、气液分离器、各种热交换设备、精馏塔、化学反应设备、各式冷凝器及蒸发器等都广泛存在气液两相流体的流动和传热现象。

气固两相流工况在工程中也是常见的。在动力、水泥、冶金、粮食加工和化工等工业中广泛应用的管道气力输送就是一种气固两相流。气力输送中应用气体输送的固体颗粒是多种多样的，有煤粉、水泥、矿石、盐类、谷类以及面粉等。虽然气力输送的固体颗粒品种和颗

粒尺寸不同，但从本质上看都属于气固两相流的范畴。

此外，在采用流化床燃烧的锅炉中，炉膛流化床上空气和燃料颗粒的流动工况以及煤粉锅炉膛中的流动工况也都是气固两相流工况。液固两相流在工程中的典型例子为水力输送。水力输送广泛见用于动力、化工、造纸以及建筑等工业。在这些工业中，用水力沿管道输送的有各种固体颗粒，如烟煤、泥煤、矿料、矿石、盐类等。也有用水和各种细颗粒混合成浆状输送物进行输送的，如水煤浆、纸浆及建筑材料浆等。火力发电厂锅炉的水力除渣管道中流动的水渣混合物也属液固两相流的范畴。在工程中还存在不少三相流的工况，在浆状流体中，除存在固相和液相外,有时还含有气相(空气)。化学工程中采用的各种气液固三相流化床工况中有气体、液体和固体颗粒一起流动。

在油田开采出来的原油中，除去原油和天然气外还带有水。这些流体的流动工况都属于三相流的范畴。在油田开采出来的流体中，有时除原油、气体和水外还夹有沙粒，这种流体的流动就属于四相流在石油工业方面。自20世纪30年代开始采用注入高压湿蒸汽开采稠油以来，这种方法已成为开采稠油和提高采油率的一种主要热力采油方法。各国对注汽井中注入的高压汽水混合物沿井深流动时的压力、温度、蒸汽干度和流量的变化规律及在储油地层中的流动工况都进行了广泛的研究。

在近30年来,当石油、天然气生产逐步由陆地向沙漠及海洋扩展,油井中采出的原油、气体和水的多相混合物的长距离可靠输送和分离等一系列多相流问题逐渐成为研究热点,并取得了一系列成果。此外,多相流泵的机理研究和开发,大量深层油气储量的开采技术,以及提高已开采油田采收率的措施等均与多相流体力学有关,并已成为近年来的研究重点。

3. 研究方向的介绍

空化水射流船舶除锈技术是初定的研究方向，属于超高压水射流应用范畴。空化水射流在超高压水射流已经比较成熟的在工业中应用的情况下，能够引起比较大的关注力度，是由于它降低了高压水射流各方面的工业要求。与普通的高压水射流相比，空化水射流在泵压力方面降低了70%。至于这一点，对于整个工艺流程来说，对于各方面的要求有一个质的降低。

首先，超高压水射流对泵的要求极其高，一般都会达到200Mpa，对于国内厂家来说，高压泵的生产能力的限制，整体设备很难实现国产化。而空化水射流对泵的压力要求就较低，由于工作机理有所不同，空化水射流对于泵的要求基本只要达到60Mpa就可以取得比较好的效果。接着就是安全问题，由于超高压水射流的压力在任何压力设备中都是一个压力过高的设备，安全问题的解决会带来一些系列辅助设备的添加。辅助设备的增加也会带来相应的副

作用，占地面积增加，成本升高，可操作性下降等问题。在工业中已经运用的超高压水射流设备来说，需要一辆大型载货车进行辅助运作，耗资巨大。而空化水射流的应用在很大程度上来说，缓解了这个问题，改变的途径只是通过改变射流喷射方式。

对于空化水射流的工作原理，可以先提到离心泵汽蚀破坏。大部分离心泵叶片报废的原因，都是由于泵中的汽蚀作用使叶片发生大面积磨损，也就是小气泡破裂对叶片局部产生严重的破坏作用。这也是离心泵设计者，机理避免离心泵内部发生汽蚀作用的原因。对于气泡破裂时，如何对材料表面作用机理我们可以用下面的图来表示：

其中的原因是大气泡破裂成几个相对较小的气泡，破裂过程中会产生比喷射水流更加高速水流，称为微射流。微射流本身对于射流来说，拥有更高的速度，因此本身有更大破坏效果。

4．多相流在该研究方向的前沿应用及理论研究进展

4.1 过滤

对于整个空化水射流作用机理来说，注定了高压水射流喷嘴的出口直径极小。这一特点一方面保证了高压水射流高速和高压，以及对材料表面的破坏能力。但是，喷嘴孔径很小也带来了一系列问题。对于现阶段来说，喷嘴的孔径一般都保持在mm级。对于实验来说，实验用水一般都用的是自来水。自来水已经经过自来水厂基本处理，但是依然不能保证用水的安全，实验用水必须经过再一次的过滤，保证实验的安全。

多相流课程中学了袋式过滤用于出去气固两相流中的固体粉尘，但是袋式除尘也可以用在液固两相中除去液体中固体颗粒。而且袋式过滤拥有过滤不能比拟的简单方式，滤袋等附件都可以进行多次利用。除此之外，由于自来水中的杂质很少，一只滤袋可以拥有比较长的使用寿命。

4.2 前沿发展

为了更好的利用空气泡破裂过程产生的微射流的作用更加明显，很多研究者对空气泡破

裂过程进行了比较深刻的研究，比如说黄建波利用空泡动力学理论计算了可压缩液体中固体边壁附近空化空泡的溃灭过程及边壁上的最大压强p，另外比较了不同掺气量对空泡溃灭压强灼影响；赵瑞等用自行研制的基于光偏转原理的力学传感器及压电陶瓷探针式水听器PZT，对激光诱导的空泡在固壁面附近溃灭进行了实验研究，得到在脉冲激光作用下 ，空泡溃灭将依次产生射流和声脉冲，且射流产生时刻早于空泡溃灭时刻；空泡溃灭过程中泡能转换为声能的比例随脉动次数增加而增大；比较实验所得的声脉冲信号和射流信号，得到了声脉冲是空泡第二次溃灭过程中主要衰减方式的结论。

相应的一些理论研究也探究了如何提高射流内空化率，也就是气泡产生比例，并研究何种气泡可以产生最佳的气泡大小，控制气泡破裂位置可以使射流得到最好的利用。但是这部分内容还需要进一步研究，更需要工程人员发掘并将实验，数值模拟结果更好的利用到设备中。

5. 自己的学习心得及展望

由于自己暂定的课题是空化水射流对船体外壳进行除锈，而空化水射流本身就是气液两相高速流动的过程。虽然《多相流及其应用》这本教程对于我本身课题来说契合度不是特别高，但是依然学到了很多工业上与实际问题相关的很多问题。

参考文献

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