Двухфазный поток - Two-phase flow

Различные режимы двухфазных потоков.

В механика жидкости, двухфазный поток это течь из газ и жидкость - частный пример многофазный поток. Двухфазный поток может иметь различные формы, например, потоки, переходящие от чистой жидкости к пару в результате внешнего воздействия. обогрев, отрывные потоки и диспергированные двухфазные потоки, в которых одна фаза присутствует в виде частиц, капли или пузырьки в непрерывной несущей фазе (то есть газе или жидкости).

Категоризация

Широко распространенный метод классификации двухфазных потоков состоит в том, чтобы рассматривать скорость каждой фазы, как если бы других фаз не было. Параметр - это гипотетическая концепция, называемая Поверхностная скорость.

Примеры и приложения

Исторически, вероятно, наиболее часто изучаемые случаи двухфазного потока относятся к крупным энергетическим системам. Угольные и газовые электростанции использовали очень большие котлы для производства пара для использования в турбины. В таких случаях вода под давлением проходит по нагретым трубам и при движении по трубам превращается в пар. Конструкция котлов требует детального понимания теплообмена двухфазного потока и поведения перепада давления, что значительно отличается от однофазного случая. Еще более критично, ядерные реакторы используйте воду для отвода тепла от активной зоны реактора с помощью двухфазного потока.[1] В таких случаях было проведено множество исследований природы двухфазного потока, чтобы инженеры могли проектировать с учетом возможных отказов трубопроводов, потери давления и т. Д. авария с потерей теплоносителя (LOCA)).[2]

Другой случай, когда может возникнуть двухфазный поток, - это насос. кавитация. Здесь насос работает близко к давление газа перекачиваемой жидкости. Если давление упадет дальше, что может произойти, например, локально рядом с лопастями насоса, может произойти фазовый переход, и в насосе будет присутствовать газ. Подобные эффекты могут также возникать на морских винтах; где бы оно ни происходило, это серьезная проблема для дизайнеров. Когда паровой пузырь схлопывается, он может вызвать очень большие скачки давления, которые со временем вызовут повреждение гребного винта или турбины.

Вышеупомянутые случаи двухфазного потока относятся к одной жидкости, которая возникает сама по себе в виде двух разных фаз, таких как пар и вода. Термин «двухфазный поток» также применяется к смеси различных жидкостей, имеющих разные фазы, таких как воздух и вода или нефть и природный газ. Иногда даже три-фазный поток рассматривается, например, в нефте- и газопроводах, где может присутствовать значительная доля твердых частиц. Хотя нефть и вода не являются строго отдельными фазами (поскольку они оба являются жидкостями), их иногда считают двухфазным потоком; и комбинация нефти, газа и воды (например, поток из морской нефтяной скважины) также может рассматриваться как трехфазный поток.

Другие интересные области, в которых изучается двухфазный поток, включают в себя климатические системы, такие как облака,[2] И в грунтовые воды поток, в котором изучается движение воды и воздуха через почву.

Другие примеры двухфазного потока включают: пузыри, дождь, волны на море, пена, фонтаны, мусс, криогеника, и нефтяные пятна. Последний пример - электрический взрыв металла.

Характеристики двухфазного потока

Несколько особенностей делают двухфазный поток интересным и сложным разделом механики жидкости:

  • Поверхностное натяжение делает все динамические проблемы нелинейный (увидеть Число Вебера ).
  • В случае воздуха и воды при стандартная температура и давление, то плотность двух фаз различается примерно в 1000 раз. Подобные различия типичны для плотностей жидкой воды / водяного пара.
  • Скорость звука резко меняется для материалов, претерпевающих фазовый переход, и может отличаться на несколько порядков. Это вводит сжимаемый эффекты в проблему.
  • Фазовые изменения не являются мгновенными, и парожидкостная система не обязательно будет находиться в фазовом равновесии.
  • Изменение фазы означает, что вызванные потоком падения давления могут вызвать дальнейшее фазовое изменение (например, вода может испаряться через клапан), увеличивая относительный объем газообразной сжимаемой среды и увеличивая скорость на выходе, в отличие от однофазного несжимаемого потока, когда клапан закрывается. уменьшит выходную скорость.
  • Может вызвать другие противоречащие интуиции нестабильности типа отрицательного сопротивления, такие как Нестабильность Лединегга, гейзеринг, пыхтение, релаксационная нестабильность, и нестабильности неравномерного распределения потока в качестве примеров статический нестабильность и другие динамичный нестабильность.[3]

Акустика

Бульканье характерно звук создается нестабильным двухфазным потоком жидкости, например, когда жидкость выливается из бутылки, или во время полоскание.

Смотрите также

Моделирование

Моделирование роя пузырей методом объема жидкости

Моделирование двухфазного потока все еще находится в стадии разработки. Известные методы:

использованная литература

  1. ^ Bueno, R.C .; Масотти, П. Х. Ф; Justo, J. F .; Андраде, Д. А .; Rocha, M. S .; Torres, W. M .; де Мескита, Р. Н. (2018). «Метод обнаружения пузырьков двухфазного потока применительно к системе естественной циркуляции с использованием обработки нечетких изображений». Nucl. Англ. Des. 335: 255-264. Дои:10.1016 / j.nucengdes.2018.05.026.
  2. ^ а б Саломон Леви, Двухфазный поток в сложных системах, Wiley, 1999.
  3. ^ Гьяасиаан, С. М. Двухфазный поток, кипение и конденсация: в обычных и миниатюрных системах, Cambridge University Press, 2008. стр. 362.