книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

обобщаются различные экспериментальные данные, по­ лученные в этой области.

При определенных условиях 'может прерваться кон­ такт пленки жидкости со стенкой канала, тогда наступа­ ет состояние, называемое «высыханием». Причины и экспериментальные исследования этого явления описы­ ваются в гл. 7.

Явление уноса жидкости в газовое ядро потока явля­ ется очень важным при кольцевом течении. В гл. 8 пред­ лагаются возможные механизмы этого явления, а также анализируются факторы, оказывающие влияние на долю уноса жидкости. Описываются различные наблюдения и эмпирические соотношения для уноса жидкости и, нако­ нец, приводится обзор состояния вопроса о капельном массообмене.

В гл. 9 дается краткое введение в вопросы теплопе­ редачи с фазовыми превращениями; рассмотрены равно­ весие в системе пар — жидкость, и начало зарождения паровых пузырей в жидкости, а также общие факторы, влияющие на теплопередачу при испарении и конденса­ ции.

В гл. 10 обсуждаются специфические задачи, связан­ ные с теплопередачей в кольцевом течении. Они включа­ ют теплопередачу к пленкам и через пленки жидкости при наличии и при отсутствии зародышеобразования. Описываются различные аналитические модели и эмпири­ ческие соотношения для коэффициента теплопередачи. Обсуждается тепловое сопротивление поверхности разде­ ла и, наконец, приводится обзор задач, связанных с ог­ раничениями массопередачи в газовом ядре.

Важнейшей проблемой при проектировании котель­ ных установок и ядерных реакторов с водяным охлаж­

снижение коэффициента теплоотдачи, ведущее к значи­ тельному перегреву. Явление пережога тесно связано с механизмами кольцевого течения. На этом конкретном аспекте вопроса о пережоге концентрируется внимание в гл. 11.

Успехи в изучении кольцевого течения очень сильно зависят от развития экспериментальной измерительной техники. Последняя, 12 гл. книги содержит обзор мето­ дики и технических средств измерения, которые были

разработаны для измерения режимов течения, толщины пленки, уноса и т. д.

Хотя эта книга непосредственно ориентирована на обсуждение кольцевого течения, из изложенного выше видно, что значительная часть материала может быть использована при рассмотрении других двухфазных ре­ жимов течения.

Количество литературы по двухфазным течениям и интенсивность появления новых публикаций таковы, что представить полный обзор всех доступных источников невозможно. Авторы приложили усилия к тому, чтобы в интересах краткости и ясности не включать в книгу второстепенный материал. В задачу авторов не входило также составление исчерпывающего списка ссылок на источники: Независимо от этого большое количество источников упоминается в книге, и есть основания на­ деяться, что читатель одобрительно отнесется к намере­ ниям авторов представить всесторонний анализ вопроса, а не пространный его обзор и извинит их за некоторые упущения, которые могли произойти.

Гл а в а в т о р а я

РЕЖ И М Ы ТЕЧ ЕН И Я

2.1. В В Е Д ЕН И Е

В газожидкостном потоке плоскость, нормальная к оси канала, по всей вероятности, пересечет много по­ верхностей раздела; например, если газовая фаза рас­ пределена в массе жидкости в виде сферических пузы­ рей, плоскость, нормальная оси канала, будет содержать множество окружностей, представляющих поверхности раздела между фазами. Вполне понятно, что невозмож­ но проследить и охарактеризовать детальное распреде­ ление во времени и пространстве поверхностей раздела. К счастью, однако, распределение жидкостно-жидкост­ ных поверхностей раздела таково, что оно непременно относится к одной из типичных разновидностей течения, которая может быть надежно рассчитана с помощью таких независимых переменных системы, как расходы каждой из фаз и их физические свойства. Типичное рас-

13

пределешіе ‘Поверхностей раздела жидкость — жидкость1 называется «режимом течения»; много времени и усилии было потрачено для определения этих режимов для различных пар жидкостей и геометрий канала. Следует,,

однако, особо подчеркнуть, что наиболее важным: из- всех переменных при определении разновидности тече­ ния является способ ввода фаз в канал. Этот факт со­ вершенно игнорируется в большинстве работ, обобщаю­ щих результаты исследований режимов течения.

Одним из обстоятельств, вносящих наибольшую пута­ ницу в определение характера двухфазного течения,- является то, что (в прозрачном канале) каждый может наблюдать реально существующую картину течения. Если скорость потока велика, можно легко воспользо­ ваться скоростной киносъемкой, и это позволит расши­ рить диапазон визуальных наблюдений и интерпретаций. Задача достижения объективности в интерпретации ре­ жимов течения обсуждается в гл. 12; здесь пока доста­ точно только отметить, что существует значительный разнобой в истолковании визуальных наблюдений, дава­ емом различными авторами. Вот некоторые из названий режимов двухфазного течения с параллельным движени­ ем фаз, которые даны различными авторами на основе визуальных наблюдений.

Пузырьковый (bubble), газодисперсный (gas disper­ sed), газопоршневой (gas piston), жидкостно-пробко­ вый (liquid slug), кольцевой (annular), жидкостно-дис­ персный (liquid dispersed), пенистый (froth), гребнеоб­ разный (slugging), пенообразный (mixed frothy),

пленочный (wall film), туманообразный (mist), аэриро­ ванный газоэмульсионный (aerated), поршневой (piston),

вспененный (churn), волнистый (wave entrainment),

каплеобразный (drop entrainment), турбулентный (turbu­ lent), полукольцевой (semi-annular), зыбеобразный (ripple), пробковый (plug), клочкообразно-кольцевой

(клубообразный) (wispy annular), расслоенный (strati­ fied), волновой (wavy), и это еще не все. В соответствии с задуманным планом данной книги было решено клас­ сифицировать важнейшие режимы течения, использовав

1 В данном случае автор употребляет термин fluid, т. е. имеет в виду термин «жидкость», как он понимается в гидромеханике, т. е. объединяет понятие «капельная жидкость» и «газ». В тех случаях, когда автор имеет в виду конкретно капельную жидкость, он упо­ требляет слово liquide. — Примеч. пер.

для этого наиболее широко употребляемые термины и определения. Остальные упоминаемые режимы течения можно рассматривать либо при описании характеристик поведения как частные случаи, существующие в опреде­ ленных интервалах конкретного основного режима тече­ ния, либо при дальнейшей детализации и делении основ­ ных режимов, в частности, в окрестности перехода от одного режима к другому. Необходимо классифициро­ вать режимы независимо для вертикального и горизон­ тального течений.

2.2. РЕЖ И М Ы ТЕЧЕНИЯ В ВЕРТИКАЛЬНОМ ПОТОКЕ

Для вертикального параллельного потока основные режимы течения показаны на рис. 2.1; к ним относятся следующие режимы.

Пузырьковое течение. При таком режиме течения газовая фаза в виде отдельных .пузырьков распределена

Рис. 2.1. Режимы течения в вертикальном канале.

в сплошной среде жидкости (рис. 2.1,а). Этот режим легче всего представить себе, основываясь на повседнев­ ном опыте, но его трудно точно осуществить при высо­ ких скоростях жидкости.

Пробковое (или снарядное) течение. При таком ре­ жиме течения некоторые из газовых пузырей занимают

20

почти все поперечное сечение канала, имеют характер­ ную пулеобразную форму и движутся вдоль оси канала, как показано на рис. 2.1,6. Пузыри газа следуют на не­ котором расстоянии друг за другом, а пространство меж­ ду ними заполнено жидкостью, которая может содер­ жать или не содержать более мелкие пузырьки газа, диспергированного в этой жидкости.

Вспененное течение. Если скорость двухфазной смеси, движущейся но каналу в снарядном режиме, возрастает (например, в результате подвода тепла к системе и усиления парообразования), структура потока будет становиться в конце концов неустойчивой, как показано на рис. 2.1,в. В трубах больших диаметров эта неустой­ чивость со временем приводит к полному распаду сна­ рядного течения с последующим вспениванием или воз­ никновением пульсаций. В трубах малых диаметров переход от снарядного к кольцевому течению (см. ниже) осуществляется более плавно, однако и в этом случае он сопровождается характерной неустойчивостью паровых пузырей. Эта переходная область между снарядным и кольцевым течениями достаточно четко выделяется и имеет настолько характерные особенности, что ее можно выделить в качестве самостоятельного режима течения; далее такой режим течения будет носить название вспе­ ненного течения. Никлин и Дэвидсон [266], которые так­ же предложили, чтобы эта специфическая область тече­ ния была выделена в самостоятельный режим течения, использовали для него термин «полукольцевое течение». Однако, по-видимому, лучше использовать более общий термин «вспененное течение», чтобы охватить полностью всю область.

Кольцевое течение. Такой режим течения характери­ зуется тем, что на стенках канала имеется слой жидко­ сти или пленка, которая представляет более или менее непрерывную поверхность раздела с потоком, состоящим главным образом из газа и движущимся в центре канала (рис. 2.1,г). Пленка жидкости может содержать или не содержать пузырьки газа, а центральный поток может содержать или не содержать капли или более крупные включения жидкости. Многие авторы делали различия между кольцевым течением и дисперсно-кольцевым тече­ нием (т. е. кольцевым течением с включениями), одна­ ко, как будет видно из гл. 8, появление включений жид­ кости управляется многими сложными факторами и на

21

этой стадии удобно не делать различия между этими режимами с тем чтобы вернуться к обсуждению упо­ мянутых факторов и гл. 8.

Клочкообразно-кольцевое течение. При таком режиме течения уносимая фаза сливается в большие брызги или клочья, размер которых постепенно уменьшается по мере увеличения скорости газовой фазы. Этот режим течения представляет большую важность для котельных устано­ вок, работающих как па природном, так и на ядериом топливах, и, вероятно, возникает в результате дробления «снарядов» при высоких массовых скоростях. В таком интервале массовых скоростей у основания больших га­ зовых пузырей возникает неустойчивость, и вокруг оси пузыря образуется вспененный «палец». По мере даль­ нейшего повышения скорости вдоль оси канала форми­ руется кольцевое течение, но «пальцы» еще продолжают существовать, и для полного их разрушения требуется некоторое расстояние- И наоборот, кольцевой режим те­ чения с крупнокапельными включениями может сформи­ роваться в результате слияния капелек при уменьшении по любым причинам скорости газа.

К другим часто упоминаемым режимам относятся пенистое и туманообразное течения. Пенистое течение перекрывается частично вспененным, частично клочкооб- разно-кольцевым течением, как это определено выше. Туманообразный режим течения можно определить как поток газа, содержащий равномерно диспергированную в нем жидкость; такой режим течения никогда не встре­ чается в адиабатных системах. Таким образом, все опи­ санные случаи перекрываются общим определением кольцевого режима течения, которое дано выше.

Приведенный выше перечень режимов течения приме­ ним к подъемному течению в вертикальном канале. При опускных течениях в вертикальном канале режимы те­ чения, однако, несколько отличаются от названных, но им уделялось значительно меньше внимания, чем режи­ мам течения при подъемных потоках. Определенно суще­ ствуют опускное пузырьковое и опускное кольцевое тече­

ния, а при достаточно высоких скоростях движения жидкости кажется вполне вероятным и существование опускного снарядного течения.

В общем случае легче добиться кольцевого режима течения при опускном течении, чем при подъемном; пре-

22

Дельным случаем является опуСкное .пленочное течение, при котором пленка стекает вниз по стенке канала, а чисто газовое течение в канале отсутствует.

2.3. РЕЖ ИМ Ы ТЕЧЕНИЯ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫ Х И НАКЛОННЫ Х КАНАЛАХ

При параллельных течениях в горизонтальных и на­ клонных каналах режимы течения значительно сложнее, поскольку гравитация выбывает асимметричное распре­

23

течение)1. Если при волновом режиме происходит даль­ нейшее увеличение скорости газа, волны в конце концов становятся настолько большими, что достигают верхней стенки каналаЭти волны распространяются с большой скоростью и смачивают всю поверхность стенок канала, оставляя пленку жидкости, покрывающую поверхность в промежутках между образуемыми волнами жидкост­ ными перемычками или «слизнями».

Кольцевое течение. Если происходит дальнейшее по­ вышение скорости газа, газовое ядро пробивает слизне­ образные перемычки и течение становится кольцевым, причем пленка жидкости у нижней части канала толще, чем у верхней.

Течение в наклонных каналах имеет большое значение для различных технологических установок, например некоторых конструкций котлов, нефтепроводов; режимы течения в таких трубах имеют промежуточный характер между режимами в вертикальных и горизонтальных трубах; по мере приближения к горизонтальному поло­ жению асимметрия увеличивается. Режимы течения в на­ клонных трубах описываются в работах [37] и [213]. Авторы данной книги не ставили перед собой цели включать в нее подробное описание течения в наклонных трубах и читателям, специально интересующимся этой проблемой, рекомендуется обратиться к литературе по этой теме; с обширным списком литературы можно оз­ накомиться в работе Гуза [127, 128] и Кеппла и Танга [206]. Библиографические указатели в этих работах по­ могут читателю отыскать большое количество литера­ турных источников и по многим другим вопросам, толь­ ко кратко затронутым в этой книге.

1 Существует большая путаница при переводе этого термина на русский язык, которая объясняется, с одной стороны, тем, что трудно подобрать эквивалентный термин (slug по-английски означает сли­ зень), а с другой стороны (и это, пожалуй, главное), тем, что этот термин применяется в американской литературе и для вертикально­ го, и для горизонтального течения, хотя в этих двух случаях он обозначает совершенно различные режимы. В случае вертикального течения он обозначает снарядный режим и эквивалентен термину plug flow, а при горизонтальном течении он обозначает волновой ре­ жим с перемычками, или слизнеобразный режим. — Примеч. пер.

24

2.4. КАРТЫ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ

Для представления результатов наблюдений режимов течения обычно прибегают к построению графиков, на которых откладывают значения массовых расходов каж­ дой из двух фаз; для построения графиков другого вида откладывают значения общей массовой скорости (пол­ ный массовый расход, деленный на полную площадь сечения) на одной оси я долю массового расхода потока пара или газа на другой оси. После того как результа­ ты всех наблюдений соответствующим образом нанесены на график, на нем прочерчиваются линии, чтобы обозна­ чить границы между различными режимами течения. Получаемая таким способом диаграмма называется «картой разновидностей течения» или «картой режимов течения». При построении некоторых типов таких карт делаются попытки взять в расчет геометрию канала и физические свойства жидкости путем соответствующего подбора наносимых на график параметров. Существует много видов подобным образом получаемых карт, и нет необходимости описывать все их в настоящей книге. Однако читатель, который желает получить более обсто­ ятельную информацию об используемых диаграммах режимов течения, может обратиться к работе Фора [359], в которой приводится обзор литературы по этому вопро­ су. Некоторые полезные замечания, касающиеся пост­ роения и использования таких диаграмм, сделаны также Скоттом [305]. В настоящей книге будут представлены две диаграммы — одна для горизонтального, другая для вертикального течения. Они служат хорошей иллюстра­

Для горизонтального течения наиболее широко из­ вестна и чаще всего используется карта режимов тече­ ния Бейкера [16]. Диаграмма Бейкера, модифицирован­

ставляют нормирующие коэффициенты для физических свойств каждой из фаз в данной системе и определяются следующими уравнениями, которые представлены в фор­ ме отношений физических свойств фаз, составляющих

25

систему, к физическим свойствам воздуха и воды при атмосферных температуре и давлении:

где рь и pG — плотность соответственно жидкой и газо­ образной фаз; а — поверхностное натяжение; ць — вяз­ кость жидкости; индексы А и W относятся к соответст­ вующим значениям для воздуха и воды при атмосфер­ ном давлении.

Рис. 2.3. Диаграмма режимов течения в горизонтальном ка­ нале [16, 305].

Хотя диаграмма Бейкера очень полезна для опреде­ ления качественной картины режимов течения в горизон­ тальном канале, действительные результаты могут очень существенно отклоняться от этой диаграммы. Например, Хоогедоорн [175] использовал различные входные усло­ вия при одной и той же геометрии канала и расходах отдельных фаз для получения различных режимов тече­ ния. Величины могущих -возникнуть отклонений можно видеть на рис. 2.4, на котором нанесены для сравнения данные о режимах течения в трубе с внутренним дра-

26