книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

метром 12,7 мм, полученные Ньюсоном [265], и данные, заимствованные из диаграммы Бейкера. Диаграмма ре­

Рис. 2.4. Сравнение данных Ньюсона [265] для различ­ ных режимов течения горизонтального воздушно-водя­ ного потока в трубе диаметром 12,7 мм с расчетными значениями, полученными по диаграмме Бейкера [16]. Заштрихованный участок диаграммы получен в резуль­ тате обработки фотографий режимов течения в трубе диаметром 12,7 мм.

система единиц. Следует отметить, что показанные на рис. 2.5 пенистый, туманообразный и кольцевой режимы течения взаимно перекрываются и не вид­ но четкого перехода от пузырькового течения к тумано­ образному и кольцевому течениям. По-видимому, суще­ ствует необходимость предпринять попытку проведения более тонкой классификации, однако рис. 2.5 можно рас-

27

см атривать .как наглядную иллю страци ю общ ей картины

режимов течений.

Одной из главных трудностей в прогнозировании режимов течения, как, впрочем, и во всех остальных вопросах, касающихся двухфазных течений, является то, что большинство имеющихся в распоряжении исследова­ телей сведений получены для узкого интервала условий;

Рис. 2.5. Карта .режимов течения, предложен­ ная Гриффитсом и Уоллисом [1391 Для верти­ кального подъемного течения.

как правило, изучались воздушно-водяные течения при давлениях, близких к атмосферному, в ограниченном диапазоне поперечных сечений каналов. Режимы тече­ ния, существующие, скажем, в котле высокого давления, в большинстве случаев еще неизвестны. Беннет и др. [24] сообщили об обширных исследованиях с помощью киносъемки двухфазных .пароводяных течений, образуе­ мых кипящей водой, движущейся в трубе длиной 3,6 м и диаметром 12,7 мм. Диаграмма режимов течения, которые наблюдались в процессе этих исследований при давлении 70,3 кгс/см2, показана на рис. 2.6 в виде зави­ симости полного массовото расхода от «термодинами­ ческого качества». Паросодержание определяется обыч­ но как отношение расхода пара к полному расходу пото­ ка. Однако на практике во многих случаях расходы каждой из фаз в отдельности бывают неизвестны. Зато часто бывает нетрудно определить среднюю энтальпию (Іт р ) двухфазной смеси в данной точке канала: ее вели­ чина определяется как сумма энтальпии на входе и под­ водимого тепла на единицу массы движущегося потока.

28

Если эти фазы находятся в термодинамическом равно­ весии, то энтальпию двухфазного потока можно пред­ ставить в виде

где X — паросодержание, а дополнительный индекс S от­ носится к насыщенному состоянию.

Преобразовав уравнение (2.3), получим:

'GS li.s

Величина, отложенная по оси абсцисс на рис. 2.6, та­ ким образом, определяется уравнением (2.4), и опреде­ ленное таким способом паросодержание будет в дальней­ шем называться «термодинамическим качеством».

Рис. 2.6. Результаты Беннета и др. [24] для режимов тече­ ния, возникающих при кипении в трубе внутренним диа­ метром 12,7 мм при давлении 70 кгс/см2.

Результаты Беннета и др. свидетельствуют о сущест­ вовании области клочкообразно-кольцевого течения. Подтверждение существования такого режима течения содержится также в работе Берглеса и Су [30] и Бейкера [15]. Результаты исследований, изложенные в работах Берглеса и Су, относятся к пароводяным течениям в тру­ бе с внутренним диаметром 10,2 мм при давлениях 35,15 и 70,3 кгс/см2. Если не считать, что в работе не дано

29

четкого различия между волновым с перемычками и вспененными режимами течения, можно сказать, что остальные разграничения довольно хорошо совпадали

ссоответствующими границами, приведенными Беннетом

идр. [24]. Было обнаружено, однако, значительное влия­ ние на режим течения длины канала. Количественные

различия между результатами Беннета и др. [24] и Берглеса и Су [30], возможно, кроются просто в различии методик измерейий.

Бейкер изучал режимы течения кипящего фреона в канале прямоугольного сечения. Он не наблюдал вол­ нообразного с перемычками течения и различал только вспененное, кольцевое и клочкообразно-кольцевое тече­ ния. Интересной особенностью сообщения Бейкера явля­ ется то, что он представил эмпирические уравнения, ха­ рактеризующие условия перехода от одних режимов течения к другим, в которых принимались в расчет отно­ шения физических свойств, вычисленные при постоянных значениях параметра ріУроПодобный подход может в конечном счете привести к более обобщенным методам расчета перехода от одного режима к другому. Сущест­ вует настоятельная необходимость в проведении система­ тических исследований в широком диапазоне режимов течения, несмотря на то что в основных исследованиях переходов от одних конкретных режимов к другим, осо­ бенно для вертикальных течений, достигнуты большие успехи. Об этих исследованиях более подробно будет сказано ниже, в § 2.5. Обзор методов, применяемых для экспериментального определения режима течения, будет приведен в гл. 12.

2.5. П Е Р ЕХ О Д ОТ О Д Н И Х РЕЖ И М О В ТЕЧЕНИЯ К Д Р У ГИ М В ВЕРТИКАЛЬНОМ ПОТОКЕ

Последние работы о переходе от одних режимов те­ чения к другим в вертикальном потоке подвели основу, по крайней мере, для качественного понимания некото­ рых из этих переходов. Последующее обсуждение отно­ сится к случаю вертикальных подъемных адиабатных те­ чений, однако некоторые из выводов могут быть в поряд­ ке опыта применены к случаям опускных и горизонталь­ ных потоков, а во многих случаях — и к течениям при наличии теплообмена.

30

При паросодержании ниже примерно 8% столкнове­ ния происходят редко и переход к снарядному режиму осуществляется очень медленно. Напротив, при паросо­ держании выше 30% пузыри сталкиваются часто, поэто­ му можно ожидать быстрого перехода к снарядному те­ чению. Это заключение подтверждается результатами Гриффитса и Снайдера [138], которые установили, что

держивать слияние пузырей, является загрязнение по­ верхности раздела. Исследование влияния такого загряз­ нения на слияние изолированных пузырей провели Радович и Мойзис [288], которые показали, что даже следы загрязнений значительно задерживают этот процесс. Д а ­ же если в начале циркуляционный контур был заполнен чистой дистиллированной или обессоленной водой, посте­ пенно в процессе движения жидкости происходит ее за­ грязнение. В результате характеристики слияния пузы­ рей меняются, и это может служить причиной постепен­ ных изменений режима течения. Как показывают эксперименты, вероятно, лучше использовать местную водопроводную воду (конечно, при условии, что эта вода содержит не слишком много примесей) и постоянно обновлять воду. Как известно, в некоторых районах Ве­ ликобритании водопроводная вода содержит относитель-

32

области обычно называют «захлебыванием». Если ско­ рость газа достаточно велика, вся жидкость в виде плен­ ки уносится вверх (рис. 2.8,(9). Если теперь постепенно снижать скорость газа, наступит такой момент, когда жидкость в определенной точке не только будет подни­ маться вверх по стенке трубы, но и начнет сползать вниз от места ее ввода (рис. 2.8,е, ж ) . В настоящей книге эта точка перехода будет в дальнейшем именоваться

Рис. 2.8. Захлебывание и поворот потока.

точкой поворота потока. Можно видеть затем, что об­ ласть одновременного существования восходящего и нис­ ходящего потоков может быть достигнута путем умень­ шения высокой скорости газа, требуемой для поддержа­ ния течения только с восходящей пленкой, или путем увеличения скорости газа, наблюдаемой при пленке, сте­ кающей вниз. Определяемые таким методом границы скоростей газа являются достаточно точными. При пере­ ходе от области с одновременно существующими восхо­ дящей и стекающей пленками к области либо с восходя­ щей пленкой, либо со стекающей пленкой путем (соот­ ветственно) увеличения и уменьшения скорости газа наблюдается значительный гистерезис.

34

Другое соотношение, которое позволяет вычислить Q l, имеет вид:

это соотношение можно получить путем измерения за­ держанной жидкости в системе со стекающей пленкой. На самом деле, до самой точки захлебывания задержка жидкости в стекающих пленках очень нечувствительна к расходу газа. Метод вычисления перехода от снаряд­ ного течения к вспененному состоит поэтому в следую­ щем: взяв данный расход жидкости, придают принятому расходу газа бесконечно малое приращение и вычисляют значения Qg и Ql на каждой ступени из уравнений (2.6) — (2.9). Когда значения этих мгновенных объемных расходов таковы, что соответствуют расходу при захле­ бывании (который определяется для стекающей пленки в специально проводимых экспериментах), считается, что точка перехода достигнута. Никлин и Дэвидсон [266] показали приемлемое соответствие между их данными для точки перехода. Однако Чодри и др. [52] и Порто [282] показали, что скорости газа в точке перехода не­ сколько превышают значения, вычисленные по методу Никлина и Дэвидсона. Такие расхождения могут быть, по-видимому, объяснены влиянием длины захлебывания;

перехода использовали данные, полученные на 1,8-метро­ вой трубе. Хьюитт и др. [166] показали, что расход газа при захлебывании уменьшается с увеличением длины канала (см. гл. 4). Так как газовые пузыри, как прави­ ло, довольно коротки (обычно длиной 76—450 мм), использование данных, полученных на 1,8-метровой тру­ бе, привело бы к занижению скорости газа, необходимой для захлебывания, по сравнению с наблюдаемой в опы­ тах.

Несмотря на описанные выше трудности, расчеты Никлина и Дэвидсона показали возможность приемлемо­ го обобщения фактов; кроме того, оказалось желатель­ ным распространить использование этого аналитическо­ го метода на более широкий интервал условий, особенно на случаи, когда с помощью уравнения (2.6) уже не удается описать движение пузырей.

36