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《气液两相流压力波传播速度研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第16卷第3期应用力学学报Vol.16No.31999年9月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSSep.1999X气液两相流压力波传播速度研究刘磊王跃社周芳德(西安交通大学西安710049)摘要将双流体模型用于绝热无相变的管道气液两相流,依据小扰动线化分析原理,导出了压力波波数K方程。通过对不同空隙率下两相压力波波速随角频率变化的计算,研究了虚拟质量力和狭义相间阻力对压力波波速及其色散性的影响。对泡状流和弹状流压力波波速的计算结果与前人的测量结果作了比较,两者符合良好。关键词:气液两相流;压力波;传播速度
2、;色散1前言压力波在气液两相流中的传播特性对研究两相流中的瞬态随水力问题有重要意义。空隙率及两相流量的超声波测量,两相水锤波在管路中的传播,反应堆热工小破口事故中的两相临界流等,都要求对两相压力波的传播速度有充分的了解。目前,对压力波在气液两相流中传播[1]特性的认识还存在分歧。Wallis均质流场速公式与分层流声速公式对气液两相流声速的计[2][3]算结果相差近一个数量级。Martin弹状流水锤波波速公式与Nguyen弹状流声速公式对弹状流压力波波速的计算结果也相差近一个数量级。文献[4]考虑狭义相间阻力的分析结果表明,气液两相流
3、中的压力波有明显的色散性,而文献[5]对泡状流压力波的测量结果则显示出泡状流压力波的色散性并不十分显著。本文将双流体模型用于气液两相流中的压力波,依据小扰动原理导出波数K方程,研究压力波的传播速度。2理论模型假设流动为绝热无相变的一维流动,考虑相间阻力和虚拟质量力的作用,双流体模型为:55(EGQGA)+(EGQGuGA)=0(1)5t5x55((1-EG)QLA)+((1-EG)QLuLA))=0(2)5t5xX来稿日期:1997203210;修回日期:1997206226第3期气液两相流压力波传播速度研究235525p(EGQG
4、uGA)+(EGQGuGA)+AEG=-EG(FD+FV)A(3)5t5x5x5525p((1-EG)QLuLA)+(A(1-EG)QLuL)+A(1-EG)=EG(FD+FV)A(4)5t5x5x式(1)～(4)中,EG为空隙率,uG、uL分别为气液两相流速,A为管道流通面积,QG、QL分别为气、液两相密度,p为压力,其中密度和压力间的关系可表示为:22dp=aGdQG=aLdQL(5)式(5)中,aG为气体声速,aL为液体声速,考虑管壁弹性对压力波传播的影响,对薄壁圆管,管截面积变化与压力变化间的关系为:dA=ADC1ö(Ee)
5、dp(6)式(6)中,D为管道直径,E为管材的弹性模量,e为管壁厚度,C1为表征管道支承方式的系数。式(3)～(4)中,FV为虚拟质量力,这是由两相间相对加速运动而引起的相间作用力,其本构关系式为:55FV=CFMQL{(uL-uG)+uG(uL-uG)}(7)5t5x式(7)中,CVM为虚拟质量力系数,与流型有关,对泡状流一般取为:CVM=0.50(1+2õEG)ö(1-EG)(8)[6]对弹状流,一般取为:1-DböLbCVM=3.3+1.7(9)1-Dbö(3Lb)式(9)中,Db为气泡直径,弹状流中的长气泡可按EG=0.8估
6、算,Lb为长气泡的长度,可通过气相的质量平衡求出。式(3)～(4)中,FD为获义相间阻力,一般表示为:12FD=CDQL(uG-uL)AböBb(10)2式(10)中,Ab为气泡在流通截面上的投影面积,Bb为气泡体积,CD为阻力系数,与流型有关,[7]对湍流泡状流可取为:3CD=110õ(1-EG)Rb(m)(11)式(11)中,Rb为气泡半径,对弹状流CD可取为:3CD=9.8õ(1-EG)Rb(12)狭义相间阻力和虚拟质量力一起构成广义相间阻力,影响两相压力波的传播。由式(1)～(7)可得:5EG1QGDC15p5EG1QGDC
7、15p5uGQG+EG(2+)+QGuG+EGuG(1+)+EGQG=05taGEe5x5xaGEe5x5x(13)5EG1QLDC15p5EG-QL+(1-EG)(2+)-QLuL5taLEe5t5x1QLDC15Q5uL+(1-EG)uL(2+)+(1-EG)QL=0(14)aLEe5x5x24应用力学学报第16卷5uG5uL(EGQG+EGQLCVM)-EGQLCVM5t5t5uG5uL5p+(EGQGuG+EGQLCVMuG)-EGQLCVMuG+EG=-EGFD(15)5x5x5x5uL5uG[(1-EGQL)+EGQLC
8、VM]-EGQLCVM+[(1-EG)QLuL5t5t5uL5uG5Q+ELQLCVM]-EGQLCVM+(1-EG)=-EGFD(16)5x5x5xT方式(13)～(16)的解构成矩阵(EG,p,uG,uL)。假设扰动前,气液两相与
