Двухфазный поток

Различные режимы двухфазных потоков.

В механике жидкости, двухфазный поток представляет собой поток из газа и жидкости - конкретный пример многофазного потока. Двухфазный поток может возникать в различных формах, например, потоки, переходящие от чистой жидкости к пару в результате внешнего нагрева, разделенные потоки и диспергированные двухфазные потоки, в которых одна фаза присутствует в виде частиц, капель или пузырьков. в непрерывной несущей фазе (то есть в газе или жидкости).

• 1 Категоризация
• 2 Примеры и приложения
• 3 Характеристики двухфазного потока
• 4 Акустика
• 5 См. Также
• 6 Моделирование
• 7 ссылки

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.

Исторически, вероятно, наиболее часто изучаемые случаи двухфазного потока относятся к крупномасштабным энергетическим системам. На угольных и газовых электростанциях для производства пара для турбин использовались очень большие котлы. В таких случаях вода под давлением проходит через нагретые трубы и превращается в пар по мере продвижения по трубе. Конструкция котлов требует детального понимания теплообмена двухфазного потока и поведения перепада давления, что существенно отличается от однофазного случая. Что еще более важно, ядерные реакторы используют воду для отвода тепла от активной зоны реактора с использованием двухфазного потока. В таких случаях было проведено большое количество исследований природы двухфазного потока, чтобы инженеры могли проектировать с учетом возможных отказов трубопроводов, потери давления и т. Д. ( Авария с потерей теплоносителя (LOCA))..

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

Вышеупомянутые случаи двухфазного потока относятся к одной текучей среде, которая возникает сама по себе в виде двух разных фаз, таких как пар и вода. Термин «двухфазный поток» также применяется к смесям различных флюидов, имеющих разные фазы, таких как воздух и вода или нефть и природный газ. Иногда даже три -фазы потока считаются, например, в нефте- и газопроводах, где может быть значительной частью твердых веществ. 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 считаться трехфазным потоком.

Другие интересные области, в которых изучается двухфазный поток, включают в себя климатические системы, такие как облака, и поток подземных вод, в которых изучается движение воды и воздуха через почву.

Другие примеры двухфазного потока включают пузырьки, дождь, волны на море, пену, фонтаны, мусс, криогенику и нефтяные пятна. Последний пример - электрический взрыв металла.

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

• Поверхностное натяжение делает все динамические задачи нелинейными (см. Число Вебера ).
• В случае воздуха и воды при стандартной температуре и давлении, то плотность два фаз отличаются на коэффициенте около 1000. Аналогичных различий характерна плотностей жидкой воды / водяного пара.
• Скорость звука резко меняется для материалов, претерпевающих фазовый переход, и может отличаться на несколько порядков. Это вносит в проблему сжимаемые эффекты.
• Фазовые изменения не являются мгновенными, и парожидкостная система не обязательно будет находиться в фазовом равновесии.
• Изменение фазы означает, что падение давления, вызванное потоком, может 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, нестабильность релаксации и нестабильности неравномерного распределения потока, как примеры статической нестабильности, а также другие динамические нестабильности.

Бульканье - это характерный звук, производимый нестабильным двухфазным потоком жидкости, например, когда жидкость льется из бутылки или во время полоскания горла.

• Многофазный поток
• Уравнение Бакли – Леверетта
• Закон Дарси для многофазного потока (для потока через пористую среду, например, почву)
• Коэффициент скольжения (поток газа и жидкости)
• Измеритель массового расхода

Моделирование роя пузырей методом объема жидкости

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

• Объемный жидкостный метод
• Метод установки уровня
• Отслеживание фронта, Гретар Трюггвасон
• Решеточные методы Больцмана
• Гидродинамика сглаженных частиц (SPH)

1. ^ Буэно, RC; Масотти, PH F; Хусто, JF; Андраде, Д.А.; Rocha, MS; Торрес, ВМ; де Мескита, Р. Н. (2018). «Метод обнаружения пузырьков двухфазного потока в системе естественной циркуляции с использованием обработки нечетких изображений». Nucl. Англ. Des. 335: 255-264. DOI : 10.1016 / j.nucengdes.2018.05.026.
2. ^ ^{a b} Саломон Леви, Двухфазный поток в сложных системах, Wiley, 1999
3. ^ Ghiaasiaan, SMTwo-Phase Flow, кипение и конденсация: в обычных и миниатюрных системах, Cambridge University Press, 2008. стр. 362.

Влияние сдвигового напряжения стенки на двухфазный флуктуирующий поток запыленных жидкостей с помощью метода решения Лайт-Хилла