多相流热物理技术的研究与应用

2023-03-07

近些年来, 关于多相流热物理技术的研发越来越受到国际的重视, 主要原因是由于多相流热物理技术能够极大促进工业领域设备的发展与创新, 在工程设备当中, 涉及到多相流热物理技术的设备众多, 如锅炉、空间设备、核反应堆、流化床反应器等。虽然近些年来关于多相流的文章数以千计, 但要想对多相流热物理技术进行全面的综述却并非易事。本文便对多相流热物理技术的研究与应用进行探讨[1]。

一、多相流热物理技术概述

在能源与动力工程中, 环境中存在着许多两种以上不同相态和组份的物质, 这些物质混合在一起相互流动, 因此又被称为多相流。多相流热物理技术则是根据这些物质的多相流动与传质传热规律所演变出来的。多相流热物理技术中的“相”是指物质在环境中的存在形式, 此时, 物质可以是气态的, 也可以是液态的, 还可以是固态的, 而多相流热则代表这些不同物质在同时流动时又具有分界面的流体。从一定程度上来讲, 多相流热物理技术又叫多组分流物理技术, 不过从含义上来解释, 它们又有所区别, 多组分流物理技术是依据流体中所包含的各种具备不同化学性质的物质进行同时流动的规律而演变出来的, 例如环境中水与蒸汽进行混合所形成的单组分两相流物质。空气和水进行流动被叫做两组分流, 油水混合物也属于两组分流, 不过它却是单独的液相。近些年来, 我国在离散相和连续相概念上的不断引入, 如今已经将这两种概念融合为一体, 从而形成了多相流。当前, 我国工业生产中的两相流主要以气固两相流、液液两相流、气液两相流与液固两相流较为常见。此外, 在石油工业等特殊领域中还可能会存在四相流。多相流与单相流相比, 多相流的流动过程要远远比单相流要复杂的多。

二、多相流热物理技术的研究

(一) 在自然循环过冷沸腾、传热规律及多维汽液两相流动方面的研究

在自然循环过冷沸腾中, 多相流热物理技术主要是对沸腾过程中多相物质流动的不稳定性及蒸发特性进行研究, 以此探索出自然循环过冷沸腾中的净蒸汽产生点, 从而研发出能对两相流动不稳定性与过冷沸腾空泡率进行计算的模型与公式。当前, 我国已经研发出了漂移数学模型, 该模型能对多维汽液两相流进行计算, 这种模型是在多相流理论基础上进行了创新, 其应用价值非常巨大[2]。

(二) 在能质传输机理、非线性多相流界面动力、数理模型方面的研究

为了对能质传输机理、非线性多相流界面动力、数理模型进行研究, 通过采用数理计算及测试技术来进行重点研究, 从而逐渐形成了多压力压差数据融合与数据识别的相关技术理念, 对瞬态与稳态气液两相流相界面的内部结构进行研究, 对离散性物质颗粒在不同的流动环境中的几何特性与运动规律进行了研究, 并建立了新数理模型, 对下降液膜相界面进行了细致分析, 在这些方面对多相流热物理的研究取得了突破性的进展。

(三) 在高压、高温、高热负荷环境下汽液两相流及安全传热规律方面的研究

对超临界力环境中两相的运动规律及水动力学特性进行了研究。并研究了反应堆安全传热的两相临界流、瞬态传热特性及冷凝回流传热特性, 通过实验的方式, 建立了相关的理论模型与计算公式, 并进一步开发出了相应的计算程序, 使两相流与传热研究方面有了巨大的进展, 从而为核电站与锅炉的安全性设计提供了可靠的数据支持与依据。

(四) 在高温气因两相流方面的研究

通过采用时间—空间守恒STC格式来对二维NS方程进行解出, 并以此建立了软硬球模型, 并进一步开发出了关于气固两相流的模拟计算软件, 经过大量的模拟与技算, 从而提出了拟涡位移模型, 形成了离散涡耦合技术。并对气固两相流的Ns方程谱进行求解, 研究了气固两相流Lagrange方法;进一步研究了流化床的传热机理, 从而研发出一种新型的燃烧器, 这种燃烧器的应用价值十分巨大[3]。

(五) 多组分多相流理论与测试领域的研究

在多组分多相流理论与测试领域中, 研究出了多相压力降的流动特性及流型, 得出了油气水三相流动规律, 对油气混输管两相瞬态的流动特性及增减油气流量进行了研究并得出, 进一步研发了瞬态流动数值的计算程序, 并根据其研究结果形成了全新的多相流分流分相测量方法, 这种方法的应用价值非常高。研发出了12电极电容一体化系统 (ECT) , 并对成象技术进行了采用, 收集了相关数据, 从而实现了利用ECT来对流型进行快速辨识的方法, 实现了对空隙率的在线测量, 以此提出了以多传感器来进行信息融合的测量方法, 这种测量方法能够对油气两相流流量进行测量, 并得出了符合原油特性的射频信号频率范围, 采用ERT系统对该测量方法进行了研究, 实现了创新性的突破。

三、多相流热物理技术的应用

(一) 在石油领域的应用

在石油领域中, 多相流热物理技术有着非常重要的应用, 利用多相流热物理技术, 能够掌握油气两相流的流动特征, 分析出油井的持液率、流体流出情况及压力降, 从而达到节省钻井费用、降低采油成本的目的。利用多相流热物理技术, 能使油气储运变得更加合理, 通过建立计算模型来对油气分离措施进行比较, 能够有效降低运行费用。此外, 还能对上升管中的脉动流动现象进行消除, 从而增加油气的输出量, 达到提高石油开采效率的目的。

(二) 在流化床领域的应用

流化床在动力工程与化工领域中有着非常重要的作用, 并已经成为最近几年多相流的研究重点。利用多相流热物理技术能够进一步研究出流化床的新用途, 并能进一步改进流化床的性能。当前, 多相流热物理技术在流化床领域中的应用主要集中在同流CFB、三相CFB及液固CFB这三项技术的研究上, CFB锅炉方面, 通过采用多相流热物理技术来对锅炉中的颗粒尺寸的传热影响, 来进一步提高锅炉的传热性能, 以此减少能源的浪费, 提高能源的利用效率。

(三) 在换热器上的应用

当前, 在换热器使用中, 有将近一半的换热器存在两相流动, 近些年来利用多相热物理技术来对气液两相流的运动轨迹进行研究, 并得出了关于横掠区的流型, 以此建立了相应的流型图, 通过采用多相热物理技术, 能够对质量流速和平均含气量进行研究, 并掌握他们之间的关系, 通过采用马丁利参数Xt来对数据进行关联, 并以此建立了关于气液两相在向下流动过程中的流型图, 从而得出了两相摩擦阻力的关联公式。通过对上述内容进行研究, 能够极大提高换热器的使用效率, 使热量在转换过程中的损失大幅度减少。

(四) 在多相流泵上的应用

多相流泵在石油、化学及动力工程等相关领域中经常被用到, 不过, 由于多相流泵的使用寿命较短, 因此影响了多相流泵的使用。而通过采用多相热物理技术, 通过流体在多相流泵中的运动规律及水体特性, 以此解决了空气流体在叶轮处产生积聚的问题, 并进一步增大了叶片的出口角, 延长了多相流泵的使用寿命。近些年来, 学者们还利用多相流热物理技术创新出了一种全新的设计理念, 并建立了能够对多相流泵的性能进行模拟与预测的计算方法, 使多相流泵的性能大大增加。

(五) 在液力与气力运输中的应用

多相流热物理技术在液力与气力运输中的应用主要是通过对颗粒尺寸及流动特性进行分析, 以此确保能够在压力损失最小且运输流体颗粒密度较大的基础上对浆状流体进行运输。通过利用多相流热物理技术, 能够对非牛顿浆状流体的流动特性进行模拟, 并充分考虑到了颗粒粗糙度给流动特性带来的影响, 并依据实验来对计算值进行对比, 确保液力与气力能够得到最大程度的运输。

(六) 在测量方面的应用

多相流热物理技术在测量方面的应用具有十分重要的意义, 通过多相流测量系统来进行测量工作能够使测量结果的精度更高。当前, 多相流测量技术主要有X射线层析法、电阻层析法、核磁共振法等, 这些方法不仅能够用于两相流的测量, 还能对三相流也进行准确的测量。

四、结语

总而言之, 多相流热物理技术虽然越来越受到国际的重视, 但对多相流的说法仍旧众说纷纭, 根据不同工况所建立的计算模型也数量众多, 难以进行列举。不过, 多相流在工业领域中的应用价值却是不容置疑的, 特别是在石油领域、流化床、换热器、多相流泵、液力与气力运输及测量方面的应用, 均具有极高的应用价值, 解决了众多领域中所遇到的难题, 笔者相信随着世界学者对多相流的不断研究, 多相流热物理技术必将得到更好的发展与应用。

摘要：本文对多相流热物理技术进行了简要的概述, 对多相流热物理技术的研究方向及研究成果进行了说明, 并进一步阐述了多相流热物理技术在各个领域中的应用。

关键词：多相流热物理,能源,相界面动力学