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《氣液兩相流壓力波傳播速度研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第16卷第3期應用力學學報Vol.16No.31999年9月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSSep.1999X氣液兩相流壓力波傳播速度研究劉磊王躍社周芳德(西安交通大學西安710049)摘要將雙流體模型用于絕熱無相變的管道氣液兩相流,依據(jù)小擾動線化分析原理,導出了壓力波波數(shù)K方程。通過對不同空隙率下兩相壓力波波速隨角頻率變化的計算,研究了虛擬質量力和狹義相間阻力對壓力波波速及其色散性的影響。對泡狀流和彈狀流壓力波波速的計算結果與前人的測量結果作了比較,兩者符合良好。關鍵詞:氣液兩相流;壓力波;傳播速度
2、;色散1前言壓力波在氣液兩相流中的傳播特性對研究兩相流中的瞬態(tài)隨水力問題有重要意義?？障堵始皟上嗔髁康某暡y量,兩相水錘波在管路中的傳播,反應堆熱工小破口事故中的兩相臨界流等,都要求對兩相壓力波的傳播速度有充分的了解。目前,對壓力波在氣液兩相流中傳播[1]特性的認識還存在分歧。Wallis均質流場速公式與分層流聲速公式對氣液兩相流聲速的計[2][3]算結果相差近一個數(shù)量級。Martin彈狀流水錘波波速公式與Nguyen彈狀流聲速公式對彈狀流壓力波波速的計算結果也相差近一個數(shù)量級。文獻[4]考慮狹義相間阻力的分析結果表明,氣液兩相流
3、中的壓力波有明顯的色散性,而文獻[5]對泡狀流壓力波的測量結果則顯示出泡狀流壓力波的色散性并不十分顯著。本文將雙流體模型用于氣液兩相流中的壓力波,依據(jù)小擾動原理導出波數(shù)K方程,研究壓力波的傳播速度。2理論模型假設流動為絕熱無相變的一維流動,考慮相間阻力和虛擬質量力的作用,雙流體模型為:55(EGQGA)+(EGQGuGA)=0(1)5t5x55((1-EG)QLA)+((1-EG)QLuLA))=0(2)5t5xX來稿日期:1997203210;修回日期:1997206226第3期氣液兩相流壓力波傳播速度研究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為空隙率,uG、uL分別為氣液兩相流速,A為管道流通面積,QG、QL分別為氣、液兩相密度,p為壓力,其中密度和壓力間的關系可表示為:22dp=aGdQG=aLdQL(5)式(5)中,aG為氣體聲速,aL為液體聲速,考慮管壁彈性對壓力波傳播的影響,對薄壁圓管,管截面積變化與壓力變化間的關系為:dA=ADC1?(Ee)
5、dp(6)式(6)中,D為管道直徑,E為管材的彈性模量,e為管壁厚度,C1為表征管道支承方式的系數(shù)。式(3)～(4)中,FV為虛擬質量力,這是由兩相間相對加速運動而引起的相間作用力,其本構關系式為:55FV=CFMQL{(uL-uG)+uG(uL-uG)}(7)5t5x式(7)中,CVM為虛擬質量力系數(shù),與流型有關,對泡狀流一般取為:CVM=0.50(1+2?EG)?(1-EG)(8)[6]對彈狀流,一般取為:1-Db?LbCVM=3.3+1.7(9)1-Db?(3Lb)式(9)中,Db為氣泡直徑,彈狀流中的長氣泡可按EG=0.8估
6、算,Lb為長氣泡的長度,可通過氣相的質量平衡求出。式(3)～(4)中,FD為獲義相間阻力,一般表示為:12FD=CDQL(uG-uL)Ab?Bb(10)2式(10)中,Ab為氣泡在流通截面上的投影面積,Bb為氣泡體積,CD為阻力系數(shù),與流型有關,[7]對湍流泡狀流可取為:3CD=110?(1-EG)Rb(m)(11)式(11)中,Rb為氣泡半徑,對彈狀流CD可取為:3CD=9.8?(1-EG)Rb(12)狹義相間阻力和虛擬質量力一起構成廣義相間阻力,影響兩相壓力波的傳播。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應用力學學報第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)的解構成矩陣(EG,p,uG,uL)。假設擾動前,氣液兩相與
