3.2. Основные понятия и определения гидродинамики газо(паро)жидкостных потоков
Приведенные скорости фаз есть отношение их объемных расходов к площади сечения потока:
.
(3.1)
Величина, называемая объемным расходным газосодержанием,
,
(3.2)
где
– приведенная скорость смеси.
Истинная скорость фазы есть отношение объемного расхода данной фазы к площади сечения, занятой этой фазой:
. (3.3)
Истинной объемной долей фазы называется отношение площади сечения, занятой данной фазой, к площади сечения всего потока. Доля газа (газосодержание) и доля жидкости:
.
Так как
,
то
.
Из равенства (3.3) следует
.
(3.4)
В дальнейшем для простоты изложения
будем оперировать только понятием
«газосодержание». Если
постоянно по всему объему аппарата, то
выражение (3.4) можно заменить отношением
объема, занятого газом, к объему смеси:
. (3.5)
Истинное объемное газосодержание является основным гидродинамическим параметром газожидкостных потоков.
При изучении парожидкостных потоков
иногда пользуются величиной расходного
массового паpосодеpжания
,
определяемого как отношение массового
расхода пара к полному расходу смеси:
, (3.6)
где
и
– плотности газа и жидкости.
В общем случае истинные скорости фаз не равны, т. е. фазы движутся относительно друг друга с некоторой относительной скоростью
,
или
. (3.7)
Значения
и
зависят от расположения аппарата
(горизонтальное или вертикальное) и
направления движения. При восходящем
течении смеси газ будет опережать жидкую
фазу, так как подъемная сила, действующая
на пузыри и обусловленная разностью
,
будет совпадать с направлением движения
газожидкостного потока. При нисходящем
движении подъемная сила направлена в
сторону, обратную движению потока. В
силу этих причин истинное газосодержание
в нисходящем потоке больше, чем в
восходящем, что соответствующим образом
сказывается на величине
.
В случае, если
,
имеет место
.
Плотность газожидкостной смеси определяется по правилу аддитивности
.
Поверхность контакта фаз (ПКФ) есть
сумма поверхностей элементов дисперсной
фазы, находящихся в контакте со сплошной
фазой, т. е.
где
– поверхность элемента дисперсной
фазы,
– количество элементов в смеси. В
расчетные зависимости чаще вводят не
значение
,
а величину удельной поверхности контакта
фаз (УПКФ)
,
где
– объем газожидкостной смеси.
Найдем УПКФ из следующих соображений.
Будем считать, что в газожидкостной
смеси объемом
находятся элементы дисперсной фазы
сферической формы диаметром
.
Согласно определению,
где
– объем элемента дисперсной фазы;
– объемная доля дисперсной фазы.
Из полученных равенств следует
. (3.8)
Таким образом, снижение диаметра пузырей
(капель) приводит, при
,
к увеличению поверхности контакта фаз.
О размерах пузырей (капель) будет сказано
в следующих подразделах. Здесь лишь
отметим, что значение
в основном определяется гидродинамическими
характеристиками потока и в меньшей
степени – физическими свойствами фаз.
Соотношение (3.8) особенно важно для анализа работы аппаратов, предназначенных для проведения процессов тепломассообмена между фазами (например, абсорбция и десорбция газов, испарение жидкости с поверхности капель и т. п.).