1、本科毕业论文（20 届）高速旋转气液两相流阻力与压力降研究与分析所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生论文I摘要本课题研究换热管内高速旋转的气液两相流流动阻力与压力降变化规律。通过实验测定了空管气速与压降之间的关系，以及气液两相流流速与压降之间的关系曲线，并且比较了螺纹换热管与光滑直管中流速与压降之间的变化关系。实验结果表明，纯气体在两种管中的压力降沿管路呈线性变化关系，关系式为: y = 0.6629x - 0.0387，气体流量与气体压力之间的关系也呈线性关系，关系式为：y = 520x + 10。在相同气体压降下，气液两相流中气体流速
2、约比空管气速降低约 64%。在液体流速比较低的前提下，随着气体压降的增加，气体流速与气体压力之间也是线性关系，在液体流量为 1L/min 下，关系式为:y=270x-29,而在液体流量达到 2L/min 时，气体流速与压力之间则不存在明显的规律，先是随着压力的增加而明显增加，后则是趋于稳定。在压力一定的前提下，液体流量与气体流速之间的关系也是有规律可寻的。在 0.3Mpa 下，液体流量与气体流量之间的关系式可以认为是：y = -25x + 75.833，而在 0.6Mpa 下，关系式则变为： y = -40x + 173.33，这说明气体的压力对于本实验的影响是非常大的。从气膜和液膜的计算可以
3、得出，通过调整装置的内部结构可以显著降低气液两相流动阻力。关键词：气液两相旋转流；阻力；压力降;气膜；液膜本科生论文IIHigh-speed rotating two-phase flow and pressure drop of the resistance and AnalysisAbstractTubes of this research phase flow within the high-speed rotation of the flow resistance and pressure drop were studied. Determined through experiment
4、s gas velocity and pressure drop in air traffic control relationship between the phase flow velocity and pressure drop, and the relationship between the curves, and compared with the smooth and straight thread Tube Header Pipe between velocity and pressure drop Changes in relationships. The results
5、show that the pure gas in one tube to the pressure drop can be considered linear, and its relationship to: y = 0.6629x - 0.0387，As for the gas flow and the relation between gas pressure that the relation is: y = 520x + 10。Under the same pressure drop, gas flow rate of liquid flow velocity of about l
6、ower than the air traffic control about 64%. Relatively low velocity in the liquid under the premise, with the increase of gas pressure drop, gas velocity and gas pressure can be considered between the linear relationship，1L/min in the liquid flow, its relation to: y=270x-29, In the liquid flow reac
7、hes 2L/min, its gas flow rate and pressure is not obvious between the law, first with markedly increased pressure, then it is stabilized. Under the premise of a certain pressure, the liquid flow and the relationship between gas flow rate is to be found regularly. In 0.3Mpa, its liquid flow and the r
8、elationship between gas flow can be considered: y = -25x + 75.833，In 0.6Mpa, its relationship then becomes: y = -40x + 173.33，This shows that gas pressure effects in this experiment is very large. The calculation of liquid film can be drawn, in this device, the greatest impact for the experiment, or
9、 instrument itself, the instrument itself the focus of the next phase of improvements.Key words: rotating gas-liquid two-phase flow; resistance; pressure drop; gas film;liquid film本科生论文III目 录中文摘要 英文摘要 1. 前言 11.1 海水淡化的意义及现状 11.2 气液两相流的概况 21.2.1 气液两相流的定义 21.2.2 气液两相流的作用 21.2.3 气液两相流的一般参数 21.3 旋转气液的研究
10、31.3.1 流型的研究 31.3.2 目前的流型 41.3.3 目前工业上的现状 41.4 本实验的研究 42. 实验部分 52.1 实验的装置与设备 52.2 第一次纯气体实验 62.3 第二次纯气体实验 62.4 第一次气液混合实验 72.5 第二次气液混合实验 72.6 气膜液膜实验 83. 数据处理与分析 83.1 第一次纯气体实验 83.2 第二次纯气体实验 103.3 第一次气液混合实验 113.4 第二次气液混合实验 173.5 气膜液膜的计算 183.5.1 气膜的计算 183.5.2 液膜的计算 18本科生论文IV4. 实验小结 204.1 纯气体实验小结 204.2 气液
11、混合实验小结 204.3 气膜液膜计算的小结 20结论 21致谢 22参考文献 23本科生论文11. 前言1.1 海水淡化的意义及现状水是生命之源，所有的社会都依赖于水。但是随着科技的不断进步，我们的水资源却在不断的被破坏。水污染是全球淡水资源面临的一大威胁。清洁、充足的水是极其宝贵的。如果没有清洁、充足的水，我们就无法生存。而我们却把水源地当成垃圾场,人类每天向湖泊、河流和海洋倾倒数不清的化学药品、金属废料和有机污染物等等。随着人类的不断破坏和污染，现在我们可以利用的水资源比较少。而我们的需求却在不断的增加 1。目前,世界上最紧张的是水资源,对它的作用已经影响到了国家的安全。淡水资源既存在数
12、量问题，同时还涉及到水的质量问题以及水生态系统的失调问题。目前全球正面临着严峻的水危机，直接危及到人类的生存和发展。最新的报告显示，到 2025 年，全球有一半人口将面临淡水资源的严重缺乏 2。因此世界水事委员会提醒大家：“此时此刻，我们正面临着世界水资源短缺的危机，而且这种危机只会越来越严重。如果解决不了水源短缺的问题，结果将是粮食价格上升，缺水的国家不得不用昂贵的价格进口粮食，然而缺水的国家大多贫穷落后。 ”饥饿和干渴也与政治动荡和经济增长缓慢紧密相关 3。正式在如此的形式下，海水淡化的技术越来越受到了各个国家的重视。因为海水淡化能够很好的解决水资源短缺的问题。早在 1950 年，美国政府
13、建立了一个盐水中心来进行淡化技术的研究，并由此分化出海水淡化领域中的重要分支膜分离技术。早在 1960 年,美国的加州大学-洛杉矶分校的科学家们开始研究薄膜脱盐法，并且成功开发出即可以渗透水，又能阻止盐分通过的非对称型醋酸纤维薄膜。据世界淡水协会的统计,目前全世界约有 133 个国家级的海水淡化应用系统，海水淡化的日产量(单位机组日产 100 吨以上者) 可以达到3240 万吨。全世界目前运作的海水淡化厂为 13080 座，其中美国拥有 2563 座；阿拉伯国家共拥有 1260 座；日本拥有 369 座 4。我国是一个淡水资源严重匮乏的国家，资源性和水质性缺水已成为制约我国经济可持续发展的瓶颈
14、。我国的“水”主要存在两大问题：一是水资源短缺，二则是水污染严重。我国人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的 14、在世界上位列 110 位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。而且我国的水污染问题极其严重，全国的废污水排放量大，并呈逐年上升趋势。致使多数城市地下水资源受到不同程度的污染，不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，且严重威胁到城市居民的饮水安全和健康 5。我国的海水淡化技术研究开始于 1958 年，以开始主要研究的是电渗析技术，到了 1965 年,开始了反渗透技术的研究；直到 1975 年才研究大中型蒸馏技术；在 1981 年,西沙的永兴岛上建成了首座 200 t/d
15、（吨每天）的电渗析海水淡化厂； 1986 年建成的 6 000 t/d 多级闪蒸海水淡化厂；1994 年在大连长海县建成 1 000 t/d 海水反渗透淡化厂；1997 年在天津大港电厂调试成功 1 200 t/d 多级闪蒸海水淡化厂；1997 年在浙江嵊山 500 t/d 反渗透海水淡化厂投入运行；2000 年 10 月，山东长岛县 1 000 t/d 反渗透海水淡化厂建成投产；2000 年底，沧州化学工业公司 1.8 万 t/d 高浓度苦咸水淡化厂投产； 到了 2002 年,天津的海滋食品有限公司从美国引进了多级闪蒸海水淡化技术并对其进行了投产。从中可以看出海水淡化越来越受到我国的重视 6
16、。本科生论文21.2 气液两相流的概况1.2.1 气液两相流的定义气液两相流是指同时存在气液两种物质状态的流动，即气体与液体的混合流动。两相流动现象广泛存在自然界和工业技术中。两相流的流动与工业生产和人民生活是密切相关的，掌握了两相流规律就能使技术设备设计更加合理、运行更加安全，并且在改造自然环境和提高人民健康生活水平等方面起到了关键的作用。在气液两相流中，旋转是常见的现象，当气液两相流体一起旋转时，其之间的阻力则是大家研究的重点，只有在合理的阻力下，使得研究才更加富有意义 7。气液两相流是多相流学科领域的一个重要分支；是进一步研究气液两相流的基础。气液两相流现象广泛存在于石油化工行业中的各个
17、领域。气液两相流体在管内的流动特性区别于单相流体的流动特性，一个最主要特性就是在流动的各相之间存在比较明显的分界面，而且分界面的形状以及各相在流动中的分布情况随空间和时间的变化而变化，并伴随有流量、物性、管道几何尺寸以及几何位置等因素的改变而呈现不同形式的变化，因此两相流流动的特性远比单相流复杂，描述其特性的参数也比单相流多很多，整个系统也是非平衡的，只在某一特定条件下才是相对稳定的，这就给气液两相流动的研究带来很多困难。但是随着科学技术的发展，极大促进了人们对气液两相流的基本理论和流动规律的研究 8，同时在工业技术的制造商也提出了更高的要求，而且对气液两相流流动参数的检测提出更高要求。1.2
18、.2 气液两相流的应用气液两相流在许多工程中广泛应用，由于它与动力，核反应堆等工程密切相关，它的研究常与传热相结合。而本次课题不仅仅有传热的研究，更有传质的研究，而在此之前一个合理的气液旋转阻力是大家所研究的重点。因此普通的设备无法满足这个工艺的要求。在气液旋转单元操作过程中, 对气液旋转设备的共同要求首先是给传质的气液两相流提供良好的接触机会, 其中包括增大相界面面积和增加湍动程度, 而且需要两相在接触后可以有效的分离。同时还要求改设备的结构简单、设备紧凑、操作便利、运行稳定、运转可靠、运行时间长、能耗小等等 9。总之, 是希望能以最小的能耗, 保证传质和传热任务的完成。目前人们研究并开发了
19、各式各样的旋转设备，但是并没有存在一种合理的设备能够完成我们的实验项目，因此本次实验的仪器是经过专门的设计，加工而成的。气液两相的流动与传热是一门只有几十年发展历史的新兴学科，气液两相混合物在管道内的流动普遍存在于各种蒸汽发生器、反应器和热交换器等换热设备中，因此气液两相的研究对石油、化工、核电和电力工业有着特别重要的意义 10。1.2.3 气液两相流的一般参数流量和流速参数对两相流体的流量,我们可以用质量流量 M（kg/s） ，即单位时间内流过管道的物质流量,液可以用体积流量 Q（ms 2/s） ，即单位时间内流过流道的物质的体积来表示。对于各相流量的表述可以分别用相质量流量 Mk、分相体积
20、流量 Qk 来描述。其中， （k=g，l） ，g 代表气相，l 代表液相。则有M=Mg+Ml，Q=Qg+Ql （1-1）本科生论文3本实验采用不同流量下，对实验的数据进行分析与研究，在不同的流量下，对于其前后流量进行测量与比较，并对其进行分析，比较阻力的大小以及流量的改变所引起的压力降。流型流型又称流态，即流体流动的形式或结构。由于两相间存在的相界面十分的复杂，从而导致两相流动的形式也是多种多样，十分复杂的。流型的改变不仅仅影响着两相流的特性和它们之间传质、传热的性能，而且对两相流中各种影响参数的准确测量也是依赖于它的确定。虽然对流型的研究时间已有一定的年限，但流型定义及分类到目前为止尚无统一
21、的定论 11。密度参数两相流动研究中，密度也是一个常用的参数，根据研究需要有如下几种的表示方式。如真实密度代表两相流场中单位体积的质量，而流量密度则表示单位时间内流过流道（通过某截面或出口截面）的两相流体积计算得出的密度，也被称为混合密度。但是由于本次实验只对阻力和压力进行分析研究，因此本次实验不需要测量密度。雷诺数表示的是惯性力与粘性力之间比值的无量纲级参数。在雷诺数一定得情况下，应该指明一个作为其依据的特征尺寸（例如管道的直径或差压装置中孔板的直径或皮托管测量头的直径等等） 。气液两相流体间的两相雷诺数的计算公式表示如下：Rem=dumVm （1-2）式中 d 表示的是管子外直径，mm；u
22、m 表示的是两相流体平均流速， m/s;m 表示的是两相流体的运动粘度， m2/s.压力降压力以及压力降是两相或多相流动中的重要基本参数之一。两相或多相流在运动时产生的压力降与两相或多相流系统的其它参数是密切相关的，它的计算与测量可为两相或多相流的工艺优化设计以及相关参数的测量提供参照依据。而本次对于压力降的分析则是直接通过仪器上的表读取。除上述参数之外，温度、传热传质系数、临界热通量以及分散程度在两相或多相流中的气泡、液滴、颗粒尺寸和分布等等也是描述两相或多相流动的一些特征性参数。1.3 旋转气液的研究1.3.1 流型的研究研究流型是研究气-液两相流动中传质和传热的基础。管道内流体的流型不同
23、，单位面积界面上两相面间的质量和能量的交换也不一样，因此势必会影响气-液两相流的宏观特性，如压降、空泡份额、滑移比和传热系数等 12。另外在两相流数值计算中，合理地建立界面结构关联式，求解其数学模型，同样需要可靠的流型知识。在化工生产过程中，存在着大量与流型有关的实际问题急待解决。因此对管道内气-液两相流动中流型的理解、描绘和预测已经成为最为重要的问题之一。但是气液两相流的模型是非常复杂的，到目前为止科学界也没有统一的定论，而在本次实验当中，由于我们目前还处在研究阶段，因此对于其里面的流型还是处于探索阶段 13。本科生论文4气液两相流体在受热管道中流动时，因压力、温度、流量、热流密度和管道的几
24、何形状的不同会形成各种流动结构形式，不同的流动结构形式具有不同的动力学和传热特性，因此研究气液两相流体流动结构对海水淡化设备的设计与运行是十分重要的 14。而本次实验主要研究的是旋转气液的阻力以及压力降，并没有对传热过程进行研究。因此，本次实验室在常温下进行的。1.3.2 目前的流型常规情况下的两相流流型的研究从上个世纪 50 年代就已经开始了，由于两相流动的多变性和复杂性，为了方便人们对其进行分析并理解两相流的产生的机理，人们不得不把研究的现状分解成为一系列的单独问题并加以逐个研究。譬如通过实验来模拟工业管道中,气液两相流动的运动状态，从而把流动结构类似的归为一类，因此就有了流型的概念，并且
25、绘制出流型图，这样可以为工业管道中的两相流形态提供科学的依据。并且可以结合流型特征的研究，以及对流动阻力和传热特性进行研究等。随着研究问题的不断深入以及研究原理的不断完善，目前在常温状态下,两相流流型的研究以及取得了很大的成就，并建立了很多完整的流型图，例如 Bake 流型图、Weisman 流型图以及 Mandam 流型图 15。从这些流型图中可以查出在不同流动参数下,气液两相流之间的流型。流型图的形成为两相流的研究提供了根本依据，而目前这些流型图正被很多研究者所采用。然而影响两相流流型的因素太多，现有的流型图在引用上都有所限制。因此，近些年来全世界的学者开展了一系列在特殊情况下的两相流流型
26、研究的科研项目，例如国内学者陈学俊等人研究的螺旋管的流型;王补宣等人研究的细圆管内流体凝结换热的流型;T.s.zhao 等研究的窄矩形通道内的两相流流型的研究和 N.P.Ekberg 等对水平窄环隙通道内的两相流的流型开展研究等。这些都是为了拓展两相流流型的研究，以及更好地推动两相流研究的发展,并对其有促进作用 16。然而，这些研究对本次实验并无多大的帮住，因为在目前情况下，对于高速旋转的气液两相的流型研究还在起步阶段，因此本次实验的数据对于其今后的发展起到一定性的推进作用。1.3.3 目前工业上的现状在工程实际中会遇到很多气液两相流动系统在旋转状态下工作的情况。例如，船舶和航空航天器中存在的
27、两相流动，就是处于旋转的状态下。近年来，国外针对舰船当中的气液旋转对于水的影响开展了一些研究工作，但是由于这些研究多是以军用舰艇为研究对象，公开发表的资料很少 17。在确定旋转状态下两相流系统的流动和传热特性时，应该首先知道两相流的流型，这样才能合理地选用适当的理论公式描述流动状况，以便进行系统的阻力计算。由于侠道内气液运动比较激烈，在内部作用力的影响会使两相介质产生附加的加速度，这会导致两相流动界面分布与没有旋转的直流情况相比有较大的区别，从而致使流型发生了变化。在其他参数一样的情况下，不同的两相流流型可以产生完全不一样的流动和传热效果，对系统产生不同程度的影响，因而，在旋转状态下两相流流型
28、的确定和其内部阻力以及压降的分析研究对两相流系统的流动和传热有着重要的意义。但是，目前拥有的流型图远远能涵盖旋转这个因素的影响，因此不能依据现有的流型图来查出在旋转情况下的两相流流型，因此本次完全依据实验的情况对其产生的现象进行分析 18。1.4 本实验的研究我国的人均淡水资源拥有量仅仅是世界平均水平的 14，完全属于贫水国家；而且沿海城本科生论文5市以及岛屿地区的缺水现象更为突出。解决水资源缺少的方法除了传统方法上的调水和蓄水、节水以及污水回收利用之外，海水淡化技术也越来越受到这些地区的重视。海水淡化以及海水综合利用不仅仅是一种适用于海岛环境的淡水技术，更可以有效的利用来缓解我国沿海地区水资
29、源缺乏的问题。舟山是一个严重缺乏淡水资源的海岛地区，由于水资源的严重匮乏影响了舟山市经济和社会的快速发展，因此在舟山市政府的不断努力下，舟山海岛已开始了由地方政府引导的海水利用区域综合示范区的建设 19。就目前而言，对于海水淡化目前工业上采用的主要是多级闪蒸、反渗透、多效蒸发等。但是这些方法都有自己的缺陷，而且生产的成本相对较高。我们的科研课题也是海水淡化，我们寻找的是一种资源综合利用的方法，运用合理的技术来解决海水淡化中，成本高，盐度高等一系列的问题。我们课题研究的重点是怎么样消耗最少的能源从而带出更多的海水，从而降低海水淡化的成本。因而建立合理的模型并且加以应用是本次课题成功的前提。在本次
30、科研课题研究中，我们要先对旋转气液两相进行研究，因为一般的气液之间的传递无法满足本实验的需求。而在这之前，我们发现气液之间的阻力以及压力降的研究则是研究气液之间传质与传热的关键，因此只有先确定好合理的阻力及压力降的损失才能为后面的实验打下基础。本科研项目主要是对海水淡化的研究，在此之前先是对仪器传质传热进行研究，并确定一个合理的模型。而在此研究之前，仪器本身的阻力与压力降的研究则是为后来的研究奠定基础。只有找到合理的压力降才是后续实验成功的关键，本实验研究的是在不同压力与液体流速下仪器自己的压力降。2. 实验部分2.1 实验的装置与设备由于本次实验是探索性实验，因此没有前人的数据可以依据参考，在实验仪器的设计中，也是采用自主研发的仪器，实验装置的示意图如图 2.1 所示：
