气液两相流完整版

集团标准化办公室：[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]气液两相流热物理量测试技术1概述两相流广泛应用于热能动力工程、核能工程、低温工程以及航天领域等许多领域。所谓两相流，广义上讲是指一种物质或两种物质在不同状态下的流动，其中气体和液体一起流动称为气液两相流。对于两相流中的气液混合物，它们可以是同一种物质，即汽—液(如水和水蒸气)，也可以是两种不同的物质，即气—液(如水和空气混合物)。气液两相流是一个相当复杂的问题，。在单相流中，经过一段距离之后，就会建立一个稳定的速度场。但对于两相流，例如蒸汽和水，则很难建立一个稳定的流动，因为在管道流动中有压降产生，由于此压降作用会产生液体的蒸发，所以在研究气液两相流时必须考虑两相间的传热与传质问题。两相流学科还处于半经验半理论阶段，对于两相流的流动和传热规律进行研究时，除了依靠各种数学物理模型外，还要依靠实验，这就需要两者相结合从而更好地进行研究。2两相流压降测量[1]压降，即两相流通过系统时产生的压力变化，是两相流体流动过程中的一个重要参数。保持两相流体流动所需的动力以及动力系统的容量和功率就取决于压降的大小。一般说来，两相流体流动时产生的压降一般由三部分组成，即摩擦阻力压降、重位压降、加速压降，管道系统出现阀门、孔板等管件时，还需测量局部压降。目前，常用差压计或传感器来测量两相流压降。2.1利用差压计测量压降应用差压计测量气液两相流压降的测量原理图如图1所示。所测压降为下部抽头的压力与上部抽头压力之差。在差压计的Z1截面上可列出压力平衡式如下：P1+Z2-Z1ρCg=P2+Z4-Z3ρCg+Z3-Z1ρMg（2.1）式中，ρC为取压管中的流体密度；ρM为差压计的流体密度。由（2.1）可得：P1-P2=Z3-Z1gρM-ρC+Z4-Z2ρCg（2.2）由上式可知，要算出压降P1-P2的值，必须知道取压管中的流体密度ρC和差压计读数Z3-Z1。当管中流体不流动时：P1-P2=gρmZ4-Z2（2.3）式中，ρm为两相混合物平均密度。将式（2.3）代入（2.1）。可得两相流体静止时，差压计中读数如下：Z3-Z1=ρm-ρCρM-ρCZ4-Z2（2.4）图1气液两相流系统中的压降测量从上面的方程式可知，为了从差压计得到压降，确定取压管中流体密度ρC是十分重要的，这意味着取压管中的流体必须为单相液体或气体。因此在测量两相流压降时，需要一个装置保证取压管中永远充满液体，一般在取压管后接一个气液分离器。图2带有气液分离器的测量系统1-实验段；2-气液分离器；3-取压管；4-差压计；5-温度测点；6-排气阀如图2所示，气液混合物进入气液分离器后分离，气相在上部，液相在下部，这样就可保证差压计取压管中全部为液体。但此时必须知道差压计中液体的温度，因为差压计中液体的密度与温度有关。测量时试验段中为气液混合物，因此必须对两侧的密度差进行修正。2.2利用传感器测量压降利用传感器测量两相流压降有两种方式，一是利用两台在测点安装的压力传感器获得的信号相减来得到压降；二是利用差压传感器来获得压降。第一种方式主要有电容式和压电式压力传感器，电子设备将两压力传感器输入的电信号相减即可换算得两测压点之间的压降。适用于需要快速时间响应的场合，但是有明显的缺点，将两个独立测出的电信号再进行相减会引起误差增大。使用此法时应对两个压力传感器进行校准，力求使输出信号能较精确地变换成所需测定的压降。第二种方式主要有磁阻式差压传感器和应变仪式差压传感器。差压传感器可以克服上一种方式的缺点。由于差压传感器传递压降时，膜片位移很小，因而导压管中流体流动量较小时，气泡不易进入导压管，测量结果更精确。当应用差压传感器测量压降时，需用导压管将测压点和差压传感器连接，此时导压管中也要全部充满液体。2.3两相流摩擦损失的计算两相流的全压损失PT被定义为由下列诸要素组成：PT=?Ph+Pa+Pf（2.5）式中Ph为位能损失，Pa为加速度损失，Ph为根据平均空隙率而由Ph=fgγg+1-fg×γtH确定的值（H为测定区间的高度）。在两相流中，直接测定的值是PT，而摩擦损失Pf是要从式（2.5）算出的值。所以，若Pa的定义不同，Pf的值当然也会不一样。单向流的单位长度的摩擦损失Pf可表示为：Pf=λDw22gγ（2.6）摩擦系数λ，对于层流：λ=64Re=64wDν（2.7）对于光滑管中的湍流，根据Blasius的公式，可表示为：λ=0.3164Re0.25=0.3164wDν0.25（2.8）可是在两相流中，气液间存在相对速度。而且由于断面上有空隙率分布，以式（2.6）的形式来表示摩擦损失时，速度w或比重γ的定义未必只有一个，所以对应于不同定义，λ的数值也就不同。对于λ，1948年曾用对应于w=wg0+wl0，γ=wg0γg+wl0γlwg0+wl0，忽略了气液两相间的相对速度，与单向流相同的值，例如用过0.02[2],0.024的值。Pf=λDw22gγ=λDwg0+wl022gwg0γg+wl0γlwg0+wl0=λD12gwg0+wl0wg0γg+wl0γl（2.9）两相流摩擦系数最早作系统性的研究是在1939年由Boelter[3]进行的。但那时只表示出λ的实验值，没有提出一般的整理法。以后两相流摩擦损失的整理方法离开了λ的直接表示法，构成下面叙述的两相流与单相流的摩擦损失比的表示形式，可以求出后者的值，反过来确定摩擦系数的值也是可能的。2.3.1基本解析法关于水平管中的层状流、波状流那样的分层流模型的摩擦损失Pf的一般整理法，最早是于1949年由Lochhart和Martinelli得出的（L-M法[4]），这个方法现在还在应用。设流道断面上的压力分布是均匀的，则Pf等于气相部分的摩擦损失Pg，液相部分的摩擦损失Pl，即Pf=Pg=Pl图3分层流模型设图3所示的气液相所占的面积分别为fgF，1-fgF，又把平均的绝对速度记作wg，wl，则Pg，Pl按通常的摩擦损失公式可表示为：Pg=λg1Dgwg22gγg，Pl=λl1Dlwl22gγl（2.10）式中λg，λl为各相的摩擦系数，Dg，Dl为水力直径：Dg=4fgFPg=fgDπDPg=kgfgDDl=41-fgFPl=1-fgDπDPl=kl1-fgD（2.11）式中Pg，Pl为湿周长度，而kg，kl为中的值。现在考虑气相和液相都是湍流的情况，由式（2.8）λg=0.3146wgDgνg0.25，λl=0.3146wlDlνl0.25（2.12）把式（2.11）、（2.12）代入式（2.10），整理得：Pg=0.3164wgDgνg0.251Dgwg22gγg=0.3164wg0Dgνg0.251Dwg022gγgDDg1.251fg1.75=Pg0DDg3kg1.75式中中的值是只有气体单独充满管道断面流动时的假想摩擦损失Pg0。把上述Pf=Pg的关系写成为g2=PfPg0=DDg3kg1.75（2.13）同样，对于液相则有：l2=PfPl0=DDl3kl1.75（2.14）另一方面，Pg0与Pl0之比为x2=Pl0Pg0=0.3164wl0Dνl0.251Dwl022gγl0.3164wg0Dνg0.251Dwg022gγg=wl0wg01.75νlνg0.25γlγg（2.15）此外，由式（2.13）、（2.14）有：x2=Pl0Pg0=DlDg3klkg-1.75（2.16）由式（2.13）~（2.16）可以看出，两相流的摩擦损失g、l通过Dl、Dg、kl、kg而与X相关，Lochhart和Martinelli推出的g或l只表示为一个变量X的函数，提出了图4所示的由实验确定这个关系的各条曲线，在图中对应于各相气液流量，区分是湍流（t）还是层流（v）的场合，提出了气-液的（t-t），（t-v），（v-t）以及（v-v）的各条曲线。图4两相流的摩擦损失与空隙率的整理方式2.3.2向高压域的推广上述的L-M曲线是根据大气压附近的实验值制作的，所以它不可能对高压饱和蒸汽-饱和水两相流也原封不动地适用。Martinelli和Nelson为此目的把L-M曲线推广制成图5那样的各种压力的曲线（M-N法[5]），这些曲线是以下方法作出的：首先，原封不动地应用饱和蒸汽-饱和水两相流在大气压下的曲线即L-M曲线，然后由如下理论确定临界压力曲线。图5对应于各种压力的摩擦损失比与空隙率的关系临界压力下的流体流量wl0（看作气体）加上流量为w'l0=kwl0的流体（看作气体，是在临界压力下与流量为wl0的流体具有同一性质的流体）时，其混合物（看作两相流）的摩擦损失Pf为：Pf=λDwl0+w'l022gγl=λDwl022gγl（2.17）式中λ是流量为wl0+w'l0时的摩擦系数，由式（2.8）：λ=0.3164wl0+w'l0Dνl0.25=0.3164wl0Dνl0.251+k0.25=λl01+k0.25（2.18）式中λl0是流量为wl0时的摩擦系数。把式（2.18）代入式（2.17），则临界压力下的l为：l2=PfPl0=1+k1.75（2.19）另一方面，对于（t-t）领域，由式（2.15）有：x=X20.875=GlGgμlμg0.143ρgρl0.428=1-xxμlμg0.143ρgρl0.428（2.20）在临界压力的情况下，因μl=μg，ρg=ρl，故x=GlGg=wl0w'l0=1K，由此和式（2.19）得：l=1+1x0.875（2.21）图5的临界压力下的曲线是式（2.21）的值，对于大气压下的l曲线之间各压力的曲线是参照实验值内插定出的，图中还表示了各种压力对1-fg的关系。2.3.3一般管系压力损失的整理方法（Chisholm法[6]）Chisholm导出的l与X关系的基本形式说明于下：干度为X的单位断面面积平均重量流量G的两相流的连续性方程式，对于图3.1的模型有：xG=fgwgvg，1-xG=1-fgwlvl（2.22）G=fgwgvg+1-fgwlvl=wmvm（2.23）式中wm是平均速度，vm是平均比容。而动量方程为：xGgwg+1-xGgwl=Ggwm（2.24）由式（2.22）~（2.24），得vm为：vm=1-x2vl1+x1-xvgvlvlvgwgwl+vgvlwlwg+x21-x2vgvl（2.25）另一方面，关于压力损失，若各相为湍流。粗糙面的场合，则摩擦系数由于λT不变而与雷诺数无关，设各相单独充满管断面时的摩擦损失分别为pg0，pl0，则pg0=λTDwg022gγg=λTDx2G22gvg（2.26）pl0=λTDwl022gγl=λTD1-x2G22gvl（2.27）由此两式可得：X=pl0pg0=1-xxvlvg（2.28）而两相流的摩擦损失pf也可以与式（2.26）同样的形式表示：pf=λTDG22gvm（2.29）若假设λT的值等于单相流的值，把式（2.25）~（2.28）代入式（2.29），整理得：g2=PfPg0=vmx2vg=1+Cx+x2（2.30）l2=PfPl0=vm1-x2vl=1+Cx+1x2（2.31）C=wgwlvlvg+wlwgvgvl（2.32）在这种粗糙管的假定下，g与X或l与X的关系就由理论上求得了。在式（2.31）中，令C=18的曲线与图3.2所示的L-M曲线（它是对于光滑管的）很一致。这样就可以认为（2.31）的形式不仅对于粗糙管，而且对于光滑管、弯头、阀门等局部损失也是使用的。此外，根据更详细的解析，C值可表示为：C=1+A-11-vlvg0.5vgvl+vlvg（2.33）式中常数A由实验确定，其结果列在表1中。表13两相流空泡率的测量[1]空泡率（fg）是在任意流通截面上两相混合物中气相所占截面与总截面积之比，或称为气相的时间平均面积份额，有时也称为真实容积含气率。它是描述两相流动特性、测量两相流流量的基本参数之一：fg=AGA=AGAG+AF式中，AF为液相所占截面积，AG为气相所占截面积，A为两相混合物总截面积。目前开发出了许多有价值的空泡率测量方法，其中包括平均空泡率测量方法和局部空泡份额测量方法，这些方法本身有各自的局限性和一定的针对性。3.1快速关阀法快速关阀法是平均空泡率测量方法的一种。这种方法是用前后两个快速切断阀，在适当时刻，使阀门迅速动作，瞬时切断一段容积，称量该容积内液体部分的体积和总流通体积，以确定平均空泡率。图6表示了这种快速关阀法的示意图。测量时，上下两个快速切断阀能在几毫秒内同时关闭，把液体和气体关闭在实验段中。由于每次测量时要切断系统，为了防止系统中产生有害的压力瞬变过程或水阻，在关闭阀的同时旁通阀应该同时打开，实验段中的水和气通过冷凝器冷凝后，全部排入小瓶中，就可计算出空泡率。图6测量空泡率的快速切断阀由于关闭阀门需要时间，因而在此期间流道内的流型原则上来说会发生变化，因而会存在误差。但实际上只要两个阀门能够迅速同时启闭，测量误差就可略而不计。测量不受热的管道中的空泡率，两阀门可以采用机械联动方法或采用电磁阀以保证同时启闭，对于受热的高温汽水混合物测量，则需采用专用的快速启闭阀门。3.2γ射线衰减法γ射线衰减法是应用较广的测量空泡率的方法。当γ射线射过物质时，射线强度会发生衰减。对于密度不同的气液混合物，较密的一相能吸收更多的射线，因此，γ射线衰减法就利用γ射线通过不同密度的两相时减弱程度不同的特点，来测定气液两相流的空泡率。γ射线穿过两相流通道时，其出射强度将遵守以下的指数衰减规律：I=I0e-2μ0δe-fgμg+1-fgμfx（3.1）式中，I是出射射线强度，I0是入射射线强度，δ是管壁厚度，μ0、μg、μf分别是管壁、气体、液体的吸收系数。使用γ射线测空泡率，是测量气液两相流的某截面或某弦线上的平均截面含气率。测量前需要首先测定单纯是液体或气体充满时的射线强度If和Ig。因为γ射线不仅在实验流体中有所衰减，而且压力管和实验管的管壁也会使γ射线减弱。因此，在实验前需要预先做一两次校准实验，即先做管中全部充满液体的实验，然后做充满蒸汽的实验，这样就可以求出管壁中γ射线的衰减情况。当流道中全部为液体时：If=I0e-2μ0δe-μfx（3.2）当流道中全部为气体时：Ig=I0e-2μ0δe-μgx（3.3）假如射线源强度I0保持不变，则空泡率可由式（3.1）、（3.2）、（3.3）联立得：fg=lnI-lnILlnIG-lnIL（3.4）使用上述公式测量和计算空泡率必须满足如下两个条件：γ射线必须垂直照射在通过的物质上（如图7所示）；γ射线源射出的γ粒子必须具有相同的能量。图7垂直于射线的气体层和液体层示意图图8给出了γ射线衰减法的测量原理图。图中左侧是带防护罩的γ射线源，γ射线经过准直器使很小的一束γ射线进入实验段，γ射线经过实验段被减弱，再经过另一准直器进入闪烁器。闪烁器可用碘化钠晶体，γ射线打在碘化钠晶体上产生光子，而后用光电倍增管来测量。光电倍增管出来的信号由一整套电子线路进行处理，这个信号与实验段中γ射线的减少量成比例，而γ射线的衰减又和空泡率成比例。图8利用γ射线测量空泡率的示意图两相流的空隙率的计算要研究两相流动的基本方程式中的动量方程式，首先得从下面单相流动的动量方程式出发来考虑：-dp=dw22gγ+λDw22gγdl+γdh（3.5）左边为压力损失，右边第一项为加速损失pa，第二项为摩擦损失dpf，第三项为位置损失ph，w为速度，γ为比重，dl为流道长度，dh为高度，λ为摩擦系数。对于两相流也有和上式一样的形式，也可以用pa，pf，ph之和来表示动量损失方程式，如果其中各项的速度w与比重γ相应地作适当的定义的话。例如，位置损失中γdh中的γ，要用dh之间存在的两相流的平均比重值，而且其余的pa，pf项中也用这样定义的γ值。方程式是统一化了的，但是并不妨碍采用另外定义的γ。对于上述两相流比重γ的定义可以用下式表示：γ=fgγg+1-fgγl=γl-fgγl-γg（3.6）式中fg是气体占据的容积比率，称为空隙率（含气率）。而液体的容积比率为fl=1-fg，称为持液率（含液率）。空隙率是进行两相流 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 基本的重要的数值，所以给定了流路条件，对应于两相流量，测这个值是很必要的在两相流中，由于气液间两相速度的存在及流道断面上空隙率分布、流速分布的存在，所以空隙率fg值与气体的容积流量比β=Wg0Wg0+Wl0值有差异，二者间的关系表示如下：设气液两相容积比率在流路断面上分别为fg和1-fg。以均匀速度Wg、Wl流动时，其连续性方程式为：Wg0=fgWg，Wt0=1-fgWl（3.7）设速度比定义为：S=WgWl（3.8）则有：fg=Wg0Wg0+Wl0S=11+1β-1S（3.9）又由于干度X为x=Wg0γgWg0γg+Wl0γl，所以可以将fg表示为：fg=11+1x-1γgγlS（3.10）再将气液间的相对速度Wr定义为Wr=Wg-Wl（3.11）则fg可由下式表示：fg=12Wg0+Wt0+WrWr±Wg0+Wt0+WrWr2-4Wg0Wr≈Wg0Wg0+Wt0+Wr（3.12）因而空气率也可间接由速度比S或相对速度Wr求得。空隙率基于能量方程式或动量方程式的计算法逸散能最小原理法（Zivi法[7]）单向流中的速度分布，能量耗散是最小的，即由熵增量为最小的条件确定。这个原理亦可用于求空隙率。现在考虑理想环状流中气相和液相速度分布分布是均一的情况，速度分别以Wg、Wl表示，单位断面面积的流量为G=Gl+Gg=Wg0γg+Wl0γl时，动能E为：E=G2gxWg2+（1-x）Wl2（3.13）因壁面切应力τw=CfWl22gγl（Cf是摩擦系数）。长度L单位断面面积的摩擦所引起的能量耗散量W为：W=τwπDL-Wlπ4D2=NG2g1-xWl2W=τwπDL-Wlπ4D2=NG2g1-xWl2N=2CfL1-fgDc（3.14）式中Dc为水力直径。从而可从能量W+EW+E=G2gxWg2+（1+N）（1-x）Wl2（3.15）为最小的条件来确定fg，即对于条件：W+Efg=0（3.16）根据式（3.7），则平均空隙率可表示为：fg=1+1+32N131-xxγgγl23-1（3.17）Zivi指出，N的量级为1，N值对于fg的影响比较小，即使N=0，即假设摩擦引起的耗散能量等于零，影响也不大。再者在环状喷雾流模型中液体流量Gl中只有eGl作为液滴和气流中的气体以同一速度流动时，和上述一样，动能E是：E=G2gxWg2+1-xeWg2+1-x1-cWl2若把摩擦所引起的耗散能量和上述一样忽略掉的话，则从dEdfg=0的条件：fg=1+e1x-1γgγl+1-e1x-1γgγl23×1+e1x-1γgγl1+e1x-1-1（3.18）根据此式的数值计算表明N值对于fg的影响很小，e值得影响则较大。由式（3.18）与许多实验值比较，以e=0.2时与实验值的一致性较好。这样就建立了所谓能量耗散量为最小（实际上是动能为最小）的假定，fg的值就可求出。实际上e不仅使0.2，还可以是别的值，但从实验上来说，设e=0.2时，实验式是个特别简单的表达式。3.3.1.2动量交换模型法（Levy法[8]）在如环状流那样的气液两相分层流中，由于可分别得出气相和液相的运动方程式，根据这些方程式可以从理论上求得平均空隙率。下面将着重说明用动量方程求解平均空隙率的过程。dp+1gfgdfgγgWg2+Wlgfgd1-fgγlWl+Fgdz+γgcosθdz=0（3.19）dp+γlWlgdWl+Fldz+γlcosθdz=0（3.20）式中dp是距离dz间的压力降，第二项是加速项，第三项是摩擦力F的项，第四项是位置水头项，Fg=Fgl+Fgw，Fl=Flg+Flw（下标lg，gl表示气液间的摩擦，gw，lw分别表示气体与壁面、液体与壁面间的摩擦），Q是流道与垂直轴之间的夹角。由这些式中消去dp：dfgγgWg2+1-fgγlWl2-γlWldWl=gfgFl+γlcosθ-Fg+γgcosθdz（3.21）若考虑到气液间也进行动量交换，则有Fl+γlcosθ=Fg+γgcosθ（3.22）故式（3.21）的左边等于0，于是把式（3.7）代入Wg、Wl的值，整理得到：d1-x21-fg+x2γlfgγg-1-x221-fg=0（3.23）因而方括号中应为常数，故代入x=0时fg=0的条件，整理后可得：x=fg1-2fg+fg1-2fg2+fg2γlγg（1-fg2+fg1-2fg）2γlγg1-fg2+fg1-2fg（3.24）平均空隙率与干度x的关系是确定的，在推导这个方程时，虽然还存在一些问题，但所得结果与实验值比较从定性上来说是一致的。3.3.1.3等速度头模型法（Smith法[9]）设在环状喷雾流模型中，液滴气体同速Wg流动。而且液膜的速度头和含液滴的气流速度头相等，则平均空隙率对于x的关系可求得如下：设气体空隙率为fg，液膜的持液率为flf，液滴的持液率为fld，则连续性方程式为：fg=xGWgγgflf=1-x1-cGWgγlfld=1-xeGWgγl（3.25）而且由于fg+flf+fld=1（3.26）则依据这两个式子有fg=1+γgγl1x-1c+γgγl1x-11-cWgWl-1（3.27）由式（3.25），中心部分的平均比重γm是γm=fgγg+fldγlfg+fld=1+1x-1c1γg+1γl-1-1x（3.28）依据上述等速度头的假定，Wl22gγl=Wg22gγm（3.29）把式（3.28）代入式（3.27）得：fg=1+γgγl1x-1c+γgγl121x-11-c1+γgγl1x-1c1+1x-1c12-1（3.30）这样，只要由式（3.29）等速度头的条件，即可解析地求得平均空隙率的值。在c=0.4时，式（3.30）的fg值与历来发表的广泛范围的实验比较，误差在±10%内，一致性良好。以上三个方法是对于环状流或喷雾流模型而得出来的，而对x小的其他流型范围，是不可能有相应的结果的。考虑到速度分布、空隙分布形式的平均空隙率的计算法（Bankoff法[10]）上述各方法中的分层流模型是在气相和液相为均匀速度分布的假定下，两相流是以相当宏观的方法处理的，对此，为了得到更精确的结果，应该用更微观地研究流动状况的方法，这由Bankoff首先于1960年作出。根据这个方法，考虑到速度分布和空隙率分布的存在，即使局部气液间没有相对速度（气液以同一速度流动），但和总体上有相对速度一样，平均空隙率fg与空气容积流量率β是有差别的，设速度分布及空隙率分布可由如下的指数定律表示：W*=WgWl=yR1m（3.31）fg*=fgyfgc=yR1n（3.32）式中R为管道半径，y为离壁距离，下标c表示管中心，则单位管道面积的气液重量为：Gl=2γlWc011-yR1-fgcfg*w*dyR（3.33）Gg=γgWc011-yRfgcfg*w*dyR（3.34）而断面上的平均空隙率fg为：fg=2fgc01fg*1-yRdyR（3.35）把式（3.31～3.34）和x=GgGl+Gg的关系式代入式（3.35），整理后得：fg=K1+γgγl1x-1（3.36）式中K=2m+n+mnm+n+2mnn+12n+1m+12m+1（3.37）是由速度分布和空隙率分布形式确定的常数，可把它看作一个流动参数，根据（3.36），平均空隙率fg仅为定量地代表流型的特征值K所决定，而K根据式（3.37）关于m和n是对称的，所以这就表示了速度分布与空隙分布的平均空隙率具有相同的影响。在两相流中，考虑取m≈2~10，而n≈0.1~5，因而K≈0.6~0.9，是由压力、流量确定的值，而根据Bankoff的结果在140ata时，K=0.89，与多数实验值都很一致。4两相流流量测量两相流动中，流量的测量是一项十分困难的工作。对流量测量而言，目前常采用的方法是直接测量与两相流流量有关的一些参数，然后根据测量得到的参数确定各相流量。此时，流量测量的目的就是要确定气相和液相的质量流量MG和MF或者是容积流量VG和VF。它们可以用M、x或V、β来表示，有如下关系：x=MGMβ=VGV式中，M为两相混合物总质量流量，x为质量含气率或干度，V为两相混合物总容积流量，β为容积含气率。所以，如果知道了MG、MF，VG、VF，M、x，V、β四组参数中的任何一组，就可以通过计算求出其他组的参数。综上所述，测量两相流的流量必须测出两个参数。若其中一个参数用常规的单相流方法测量，另一个则需用两相流体的测量方法测出，这种情况称为两相流体的单参数测量。若两个参数均不能用常规的方法测出，则成为两相流的双参数测量。目前两相流流量测量常用的流量计分为容积式和速度式两大类。速度式流量计有皮托管、涡轮流量计、靶式流量计和孔板流量计等。容积式流量计则有椭圆齿轮和刮板式流量计等。4.1速度式流量计4.1.1皮托管皮托管是常用的速度式流量计中的一种，它利用测量流体中某一点的全压和静压之间来确定该点的流速。根据伯努利方程，动压p与流速w间的关系为w=k2?pρ式中，ρ表示介质密度；k是由实验确定的系数。用单支皮托管测速时，由于两相流体在管道截面上速度分布很复杂，影响因素又多，因此皮托管安装位置对测量结果有很大的影响。在实际测量中，为了克服上述缺点，往往是采用多支皮托管组合的方式。加拿大的Baneriee用多点皮托管和密度计组合来测量汽水混合物的质量流速m获得了较好的效果，实验中他使用了5支皮托管，将它们安装在同一截面上，如图9所示。图9用皮托管测量质量流量示意图孔板流量计（测量水）；2-涡轮流量计（测量过热蒸汽）；3-皮托管；4-加热器采用皮托管测量两相流流量结构简单，工作可靠。但由于两相流体在管道截面上分布复杂，使皮托管的测量精度受到影响。4.1.2涡轮流量计涡轮流量计的工作原理是涡轮的转速与流体的流速（流量）呈线性关系。在单向流体流量测量中，涡轮流量计已得到广泛应用。Rouhani用涡轮流量计测量两相流流量的公式为ω=kV=kMvm（4.1）式中，ω是涡轮角速度；k是由标定确定的系数；vm是汽水混合物的比容，可按下式计算：vm=x2fgρG+1-x21-fgρF（4.2）在管内装一个小涡轮，小涡轮的每个叶片上有一小磁铁。传感器装在管外，当磁铁经过时就发出一个信号，由此可求出涡轮的转速。当x已知，空泡率fg通过测量或计算求得，在工质参数一定的情况下，就可以根据式（4.1）和式（4.2）求出两相混合物的总质量流量。4.1.3靶式流量计靶式流量计的工作原理是在管道中心放置一圆形靶，靶与管道之间形成环形通道。流体经过靶时，对靶产生作用力，其力和流速之间呈一定的比例关系。通过应变片检测力的大小，即可确定流量。图10是两相流测量中常用的多孔圆形靶和圆形筛网状靶。图10靶式流量计中靶的形状计算靶式流量计流量的公式为M=AfgkA0ρF当管道面积A、靶面积A0及比例系数k一定时，用γ射线衰减器测出两相流的密度ρ，由应变片测出靶上所受的力F，便可由上式确定两相流的流量。对于单相流，不同形状的靶的比例系数k的试验值见表2，表中A0‘=A-A0,即管道中装靶后的流通面积。表2靶式流量计的比例系数通常都采用将涡轮流量计和靶式流量计组合在一起的组合式测量装置，如图11所示。图中有两块均流板，其作用是使通过靶式流量计后的流动能变成均匀流，这样涡轮流量计就能测得准确。环形间隙阻抗空泡仪可以用来测量空泡率。图11组合式流量计4.1.4孔板流量计利用节流件来测量两相流的流量必须寻求通过节流件的两相流压降、含气率和气液混合物总流量三者之间的关系。为了得到这种关系，不同研究者提出了各种模型，其中最主要的是均相模型和分相模型。均相模型假定气液两相是以混合的很均匀的状况流过孔板，分相流动模型则假定气液两相流是以完全分开的形式流过孔板。应用孔板进行单参数测量应用差压法进行气液两相流单参数测量的方式之一是在管道中装设一个孔板，根据气液两相流体流过孔板时所产生的压降，可自相应的计算式中算得气液两相流的流量或气相质量流量。两相流体流过孔板的过程是一个变截面流动的过程，如图12所示，其实际的流动通道类似于一个Laval喷管，由收缩流段和扩展流段两部分组成。图12两相流流过孔板从截面1-1到截面C-C，流体的压力能几乎全部转变成了动能，因此两截面的动能之差则近似等于两截面之间的压差。如果采用均相模型，并假定两相流体流过孔板时干度及物性的变化可以忽略，则有PTP=P1-PC=ρhuc22-ρhu122（4.3）其中ρh=ρL1+xρLρG-1-1（4.4）根据质量守恒方程：Acρhuc=A1ρhu1=AdGd式中uc=AdAcGdρh=1σcGdρh（4.5）u1=AdA1Gdρh=mGdρh（4.6）其中，σc=AdAc称为收缩比；m=AdA1称为孔板截面比。将式（4.5）、（4.6）代入（4.3）得PTP=Gd22ρh-1σc2-m2（4.7）关于收缩比σc，Chisholm曾提出一个计算式σc=0.6391-m12+1-1（4.8）将式（4.4）及式（4.8）代入式（4.7）得到PTP=Gd22ρL0.6391-m12+12-m2×1+xρLρG-1（4.9）流体的可压缩性对两相流体流过孔板的特性是由较大影响的，尤其当干度及质量流速较高、孔板截面比较小时，可压缩性的影响不容忽略。因此，在式（4.9）中引入一个考虑压缩性等影响因素的修正系数K，则PTP=Gd22ρLfm1+xρLρG-1K（4.10）若干度已知，则M=2ρLPTPKfm1+xρLρG-1-112Ad（4.11）（2）应用双孔板进行双参数测量利用双参数测量，气液两相在无需分离的情况下即能同时测出混合物质量流量及气相质量流量含量。日本学者世古口言彦曾采用两块串联布置的圆缺孔板和两块串联布置的偏心孔板进行空气和水的混合物在管道中流动时的双参数测量试验，试验设备如图13所示。图13应用双孔板测量的试验设备4.2容积式流量计容积式流量计中最常用的是齿轮流量计，它的工作原理是测量单位时间内经仪表排出的固定容积c的数目。如果单位时间内排出n个固定容积数，则流体的容积流量为V=nc。椭圆齿轮流量计的工作原理如图14所示。一对互相啮合的椭圆齿轮在流体差压的作用下，交替地相互带动绕各自的轴转动。图14椭圆齿轮流量计的工作原理图由于齿轮与外壳之间总存在一定的间隙，因此在齿轮的进出口压差的作用下会造成泄漏，这是误差的主要原因。小流量时泄漏量相对较大，引起的误差也很大，故有一最小流量。流量过大时，压差也增大，误差也有所增加，并且此时齿轮转速过高，也容易磨损。工质的粘度对泄漏量也有很大的影响，随着液体粘度减小，在低流量时误差会更加明显。5应用近年来，在众多的冷却手段中，两相流循环冷却技术发展迅速，被认为是应用航天大型电子装置或高功耗集成电路中最为有效的冷却手段和热控制技术之一。该技术本身并不制冷，而是集换热和热量传递为一体，靠工质在循环过程中的汽化和冷凝，将热量从热源排出。系统的主要能耗在于工质循环的驱动力和加热器等相关辅助设备。目前两相流循环冷却回路的主要应用形式是毛细力驱动的环路式热管系统，该类系统的最大特点是使用毛细力驱动工质循环，能耗低，无运动部件。因此在散热回路分布比较简单、散热任务的复杂性和可控性要求不是很高的条件下具有较多的应用。然而，由于工作性能的限制，该系统在冷却能力、传输距离和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 结构上都很难满足未来空间设备的散热要求，并且启动过程、抗热冲击性、稳定性以及蒸发段的温度控制方面都有很大的局限性。因此，一种新型的主动式热控系统——机械泵驱动两相流冷却环路系统逐渐成为航天冷却研究的热点[11]。阿尔法磁谱仪时诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授领导研制用于在空间探测反物质的科学研究装置。其中的硅微条轨迹探测器(Tracker)是探测空间反物质的核心探测器，它工作在由超流液氦冷却的超导磁体的中心。为避免对超导磁体的影响，探测器工作时，其前端电子所产生的共144W的热量只能通过专门的散热系统带出，最终经由超导磁体外的两个辐射器将热量排散。这一散热系统要求必须体积小，散热能力好，温控能力强，能在不干扰探测器工作的同时，为探测器的前端电子提供有效的散热边界和稳定的温度环境[12]。为了实现这些技术要求，荷兰航空航天局，中山大学，中国空间技术研究院，荷兰核物理与高能物理所，意大利核物理所等研究机构合作设计开发一套机械泵驱动，使用两相二氧化碳的环路热控系统。它是专门为收集硅微条探测器的热量而设计的散热控温系统，也是首个执行太空热控任务的机械泵驱动的两相散热系统。该系统中两相循环回路中就布置了差压传感器，绝对压力计，科里奥利质量流量计以及温度传感器等，系统示意图如下。参考文献[1]黄素逸,周怀春等.现代热物理测试技术[M].北京:清华大学出版社,2008.[4]ChisholmD,LairdADK.Two-phaseflowinroughtubes[J].Trans.ASME,1958,80(2):276-286.[5]MartinelliRC,NelsonDB.Predictionofpressuredropduringforced-circulationboilingofwater[J].Trans.Asme,1948,70(6):695-702.[6]ChisholmD,SutherlandLA.Predictionofpressuregradientsinpipelinesystemsduringtwo-phaseflow[C].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,ConferenceProceedings.SAGEPublications,1969,184(3):24-32.[7]Zivi,S.M.Estimationofsteady-statesteamvoidfractionbyMeansofprincipleofminimumentropyproduction[J].1964，HeatTransfer,86(2):247-252.[8]S.Levy.SteamSlip—TheoreticalPredictionFromMomentumModel[J].1960，HeatTransfer,82(2):113-124.[9]S.L.Smith.VoidFractionsinTwo-PhaseFlow:ACorrelationBaseduponanEqualVelocityHeadModel[J].1969，IMECHEARCHIVE,184(1):647-664..AVariableDensitySingle-FluidModelForTwo-PhaseFlowWithParticularReferenceToSteam-WaterFlow[J].1960，HeatTransfer,82(4)：265.[11]孙西辉.机械泵驱动二氧化碳两相流体回路稳定性研究[D].中山大学博士学位 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