книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

7

— безразмерный градиент давления;

Я— параметр Живайкина;

Ял — обогреваемый периметр канала;

Рц — амплитуда изменения давления на межфазной

г*і — безразмерный радиус поверхности раздела фаз;

R — газовая постоянная; параметр уноса Викса и Даклера;

Rea — число Рейнольдса капли; Rez, — число Рейнольдса жидкости;

Resgc — число Рейнольдса газового ядра;

Rетр — число Рейнольдса двухфазного потока;

s — расстояние, измеряемое вдоль линии тока; отно­ шение площадей поперечного сечения;

S — периметр канала; энтропия; фактор подавления Чена;

5* — осредняющий коэффициент Барнетта; t — время;

Т — абсолютная температура;

9

Хво — паросодержание при кризисе теплоотдачи;

Х і — паросодержание на входе;

Хіп — паросодержание у входа в канал;

Хо— паросодержание на выходе; X — параметр Мартинелли;

X tt — параметр Мартинелли для турбулентных течений жидкой и газовой фаз;

у— расстояние от стенки;

у— амплитуда возмущений на поверхности раздела фаз;

у+ — параметр расстояния трения;

у* — дистанция остановки; Уо— глубина ручейка;

г — осевое расстояние или координата;

Z(%) — функция краевого угла Симпсона и Силвера;

Z 0— параметр Брук-Бенджамина; dpjdz — градиент давления;

11

Гл а в а п е р в а я

ВВ Е Д Е Н И Е

Круг проблем, относящихся к течению двухфазных сред, чрезвычайно обширен и включает течения таких систем, как газ — твердое тело, жидкость — жидкость, твердое тело — жидкость, не считая уже систем газ — жидкость, которым специально посвящена эта книга. Изучение систем газ — жидкость очень важно, и по мно­ гим аспектам этой проблемы появляется громадное количество литературы. Такое течение существует в це­ лом ряде промышленных установок, таких как испари­ тели, бойлеры, дистилляционные установки (ректифика­ ционные колонны), химические реакторы, воздушные эжекторы, конденсаторы, турбины и т. д. Оно охваты­ вает весь комплекс процессов при кипении. Техно­ логическая важность двухфазного газожидкостного течения огромна, особенно в тех случаях, когда прихо­ дится рассматривать сумму капиталовложений в обору­ дование, в котором такое течение имеет место. Однако несмотря на очень большое количество работ, посвящен­ ных этому вопросу до сих пор в распоряжении конст­ рукторов нет надежного метода расчета для большей части такого оборудования. Подобное положение явля­ ется следствием чрезвычайной сложности течения двух­ фазных систем, и разработка эффективных методов рас­ чета может быть делом только далекой перспективы, особенно если вспомнить, что до сих пор не существует полностью удовлетворительных теоретических моделей даже для турбулентных течений однофазных жидкостей. Для течения двухфазных систем, где поверхность разде­ ла между фазами может иметь очень сложную форму, по-видимому, нет ближайшей перспективы для получе­ ния со всех точек зрения удовлетворительной теорети­ ческой модели.

14

структуры течения и, следовательно, геометрической формы поверхности раздела ввести некоторую степень ограничения, другими словами, ввести понятие «харак­ тера течения» или «режима течения». Такой прием можно рассматривать в качестве удобного метода классификации различных типов распределения поверх­ ности раздела, наблюдаемых на практике. В этой книге область рассмотрения будет ограничена только одним таким классом распределения поверхности раз­ дела, а именно таким, который имеет место в кольцевом течении. Кольцевым течением будем называть течение, в котором к стенке канала прилегает сплошной слой жидкости, а в центре канала находится сплошная га­ зовая среда (ядро). Две области, таким образом, раз­ делены более или менее четко выраженной поверхно­ стью. Эта поверхность раздела приблизительно повто­ ряет по форме стенку, которая ограничивает канал. Такое определение подразумевает случай, при котором жидкая пленка течет по стейке и в ядре находится один только газ. Однако эта конкретная форма определения не исключает случаев, когда имеются газовые включения в слое жидкости или капли жидкости внутри газового ядра. Оба эти случая будут также рас­ сматриваться как разновидность кольцевого течения. По причинам, которые станут ясными из последующих глав, нецелесообразно делать различия между кольцевым и дисперсно-кольцевым течениями.

Изложение основной темы книги будет построено следующим образом:

В гл. 2 будут описаны различные режимы течения, причем особое внимание будет обращено на области существования кольцевого режима течения. Из этого описания видно, что кольцевой режим течения занимает чрезвычайно важное место в двухфазных системах тече­ ния, возможно, более важное, чем любой другой режим.

В гл. 3 анализируются простые балансы количества движения и энергии, которые иллюстрируют сходство и различие между одно- и двухфазным течениями. Описы­ вается применение этих простых моделей к нахождению потерь давления при внезапных расширениях, сужениях, в диафрагмах и т. д. В этой главе дается также краткая иллюстрация применения ряда эмпирических моделей для нахождения градиентов давления в двухфазном те­ чении; как и прежде, эти модели, кроме кольцевого

15

течения, могут быть применены и к другим режимам двухфазных течений.

В гл. 4 обсуждаются простые модели для кольцевого течения, которые родственны общим моделям, рассмот­ ренным в гл. 3. В частности, освещаются вопросы вычи­ сления профиля касательных напряжений в пленке жидкости и взаимозависимости между градиентом дав­ ления, расходом пленки и толщиной пленки, которые являются фундаментальными для кольцевого течения. Рассматривается применение этих моделей для опреде­ ленных случаев. В частности, анализируются существо­ вание нулевого касательного напряжения на стенке и нижний предел расхода газа, при котором может суще­ ствовать кольцевой режим в системах с подъемным тече­ нием. Эта глава заканчивается обсуждением явления захлебывания, которое представляет предельный случай противоточного режима течения со стекающей пленкой жидкости и восходящим потоком газа.

В гл. 5 рассматриваются эмпирические соотношения для кольцевого двухфазного течения. Показано, что не­ которые из эмпирических соотношений имеют присущие только им формы трехпараметрических зависимостей между потерей давления, расходом пленки и толщиной пленки, получаемые из простых аналитических моделей. Другим важным классом эмпирических соотношений являются соотношения между шероховатостью поверхно­ сти раздела фаз, с которой встречается газовая фаза при течении по каналу, и числом Рейнольдса жидкости или толщиной пленки. Без этих последних соотношений ана­ литические или эмпирические модели позволяют только исключить одну из трех переменных: толщину пленки, расход пленки и градиент давления. Используя соотно­ шения, описывающие взаимодействия на поверхности раздела фаз, удается исключить еще одно переменное, оставляя одно неизвестное — долю жидкой пленки, ко­ торая в виде капель уносится газовым ядром.

Поверхность раздела фаз в кольцевом течении обыч­ но чрезвычайно волниста, и эти волны не только играют важную роль во взаимодействиях на поверхности разде­ ла, о которых упоминалось выше, по и оказывают силь­ ное влияние на унос жидкости-

В гл. 6 подробно анализируются природа и причина возникновения волн на поверхности раздела, а также

16