基本介紹
- 中文名：兩相傳熱
- 外文名：Two-phase heat transfer
- 一級學科：工程技術
- 二級學科：熱力工程
- 兩相流：兩相物質(至少一相為流體)組成
- 傳熱：物理現象
兩相流,液幕狀氣液兩相傳熱,氣固兩相傳熱,流化床換熱器中液固兩相傳熱,旋流強度對氣霧兩相傳熱影響,
兩相流
兩相物質(至少一相為流體)所組成的流動系統。若流動系統中物質的相態多於兩個，則稱為多相流，兩相或多相流是化工生產中為完成相際傳質和反應過程所涉及的最普遍的粘性流體流動。有相變時的傳熱、塔設備中的氣體吸收、液體精餾、液體萃取以及攪拌槽或鼓泡塔中的化學反應過程等，都涉及兩相流。
通常根據構成系統的相態分為氣液系、液液系、液固系、氣固系等。氣相和液相可以以連續相形式出現，如氣體-液膜系統；也可以以離散的形式出現,如氣泡-液體系統，液滴-氣體系統。固相通常以顆粒或團塊的形式處於兩相流中。
兩相流的理論分析比單相流困難得多，描述兩相流的通用微分方程組至今尚未建立。大量理論工作採用的是兩類簡化模型：①均相模型。將兩相介質看成是一種混合得非常均勻的混合物，假定處理單相流動的概念和方法仍然適用於兩相流，但須對它的物理性質及傳遞性質作合理的假定；②分相模型。認為單相流的概念和方法可分別用於兩相系統的各個相，同時考慮兩相之間的相互作用。兩種模型的套用都還存在不少困難，但在計算技術發展的推動下頗有進展。
兩相流的實驗研究，是掌握兩相流規律的基本方法。目前廣泛套用光學法（包括光吸收、散射、干涉、折射等），其他輻射吸收和散射法，示蹤法，以及電容和電導法等測定兩相流中的重要參數，如壓力、空隙率、平均膜厚、液滴直徑、運動速度等。在某種意義上說，對兩相流規律更深入的了解，有賴於實驗技術的進步。
液幕狀氣液兩相傳熱
“液幕狀氣液兩相流”是西安交通大學提出的一種新的氣液兩相流流型，它繼承和發展了傳統的液柱法利用噴泉狀流動增加液體停留時間的思路，將液體通過噴嘴垂直向上噴出並由重力作用回落到水池，通過增加噴嘴的數量，可大幅度提高液幕塔截面的液體含量，使氣液流動狀態由液柱法的噴泉狀轉化為類似於鼓泡床的強烈混合上升一下降流動.由於噴嘴中的液體射流不再是獨立的液柱，而是連成一片的液幕，其氣液兩相流的流型完全不同於原來提出的泡狀流、彈狀流、塊狀流、纖維狀流、霧狀流或環狀流，是一種全新的液幕狀氣液兩相流流型。宋洪鵬等對液幕狀氣液兩相流的傳熱特性進行了實驗研究，主要結論如下：
（1）無論在順流塔還是逆流塔內，液幕頂部是傳熱效果最佳的位置。
（2）在空氣流速一定時，順流塔和逆流塔中液幕的傳熱係數都隨著液氣比的增大而減小。
（3）單純靠提高液柱高度來強化傳熱是不經濟的，可以組織多層液幕，降低工業成本。
同時，還獲得了不同煙氣流速、不同液氣比時，順流塔和逆流塔內傳熱係數與液氣比的關聯式，這2個經驗公式將為以後的工程設計提供依據，並為進一步研究傳質過程打下良好的基礎。
氣固兩相傳熱
煤粉顆粒在氣流中的運動過程，煤粉顆粒與流場的多尺度禍合現象以及煤粉顆粒間的相互禍合現象都是典型的氣固多相流問題。在煤粉的燃燒過程中，顆粒與湍流的相互作用將會極大地影響顆粒周圍流場中反應物、生成物、溫度和壓力的分布情況，進而影響反應物在顆粒表面的擴散過程和顆粒表面燃燒反應的進行。因此，對氣固兩相流的研究是煤粉燃燒研究過程中十分重要的環節。
當前，採用數值模擬手段研究氣固多相流時主要使用的方法有兩種，第一種方法是採用顆粒點源模型模擬流體中的顆粒;第二種方法是採用考慮顆粒體積的全尺度數值計算方法來模擬流體中的顆粒。顆粒點源模型(Particle Sources In Cell)的主要恩想是在歐拉框架下計算湍流運動，在拉格朗日框架下跟蹤每一個顆粒的運動軌跡。流場中的顆粒被認為是有質量、動量以及能量的質點，對其體積不進行考慮，因而顆粒的運動被簡化為與顆粒質心同一位置的質點的運動。
碳顆粒的氣固燃燒是一個複雜的動量一能量一質量相互禍合的化學反應過程，顆粒周圍氣體的組分、溫度、速度分布與顆粒表面的異相反應相互影響，使得對氣固交界面邊界條件的描述更為困難。莊震亞將虛擬點內嵌邊界方法擴展到氣固多相燃燒傳質過程的模擬中，通過確定合適的邊界條件，使得虛擬點內嵌邊界方法能夠準確描述顆粒表面的異相反應過程以及顆粒與流體的傳熱、傳質和動量傳遞情況。
流化床換熱器中液固兩相傳熱
循環流化床換熱器在造紙、海水淡化等工業方面有廣泛套用，但在生產過程中存在易於結垢的問題，嚴重影響工作效率，因此如何防、除垢成為工業生產中急需解決的重要問題。20世紀80年代末開始，一些研究者在管內兩相流動蒸發沸騰系統中加入固體粒子，並對其強化流動沸騰傳熱及防、除垢效果開展了初步的研究，他們發現固體粒子在隨著流體的運動不斷穿過流動邊界層，對邊界層具有擾動作用，起到了強化傳熱，去除壁面污垢的作用。
李修倫等在多相流防除垢方面進行了大量研究，取得了較好的成果，他們在汽液固三相流中加入固體粒子形動沸騰系統，固體粒子起到了很好的防、除垢作用，提高了沸騰傳熱過程的穩定性。於志家等將固體顆粒引入到兩相流載氣蒸發系統中，發現不僅可以顯著強化傳熱，而且可以使壁溫及壁面液體過熱度明顯下降。他們認為，固體顆粒可以有效地抑制加熱壁面上的泡核沸騰，同時其運動對己有的垢層具有明顯的沖刷作用。
為了更深入了解換熱器多相流傳熱特性，研究者們在進行實驗測定的同時，也開展了對固體顆粒強化傳熱機理的研究。按照所考慮的傳熱機理不同，建立的流化床內傳熱模型主要有:1)有限層流層模型;2)雙阻力膜模型;3)非穩態熱傳導模型;4)顆粒替換模型。這些模型為循環流化床的多相流傳熱進行了有益探索，但他們的模擬對象通常為顆粒的非穩態導熱，對顆粒的存在對流場的影響考慮不足。因此，齊國鵬等通過考慮固體粒子對液相流場的影響及固相本身的對流傳熱，建立循環流化床中液固兩相流動傳熱的微分方程，從微觀的角度建立液固兩相流傳熱模型，通過模擬探討了固體粒子對液相流動及傳熱的影響。
旋流強度對氣霧兩相傳熱影響
在發動機排氣系統的集水箱中噴入一定量細水霧，利用高溫煙氣與低溫液滴兩相的傳熱傳質可使排氣系統排出高溫煙氣的溫度大幅降低。
影響兩相間傳熱傳質的因素較多，目前人們對噴霧流量、水霧霧滴尺寸分布、水霧噴射方向和氣流的湍動強度等研究較多.氣流旋流數是表征旋轉射流旋流強弱程度的無因次數叫，並且氣流旋流強度對煙氣與水霧的傳熱傳質有較大影響，因此，研究旋流強度對噴霧冷卻性能的影響十分必要。ZuoB研究了旋流氣體中液滴蒸發的影響因素，發現強旋流可以增強氣/霧的摻混效率，降低液滴速度，由於延長了液滴蒸發與摻混的時間，有利於加強液滴的蒸發。劉巍對旋轉衝壓增程彈進氣道內流場的旋流數進行了理論計算，並將解析解與利用數值模擬方法計算的數值解進行了對比。張財紅採用Eulerian-Lagrangian方法對不同旋流強度下柱狀燃燒室內的旋流噴霧過程進行了數值模擬，得到了適合氣泡霧化噴嘴噴霧燃燒的旋流數。
鑒於橫流噴射冷卻效果相對較好，王小川等將霧化噴嘴固定在集水箱困內壁上對高溫煙氣進行橫流噴射。對集水箱渦流室內氣流的旋流數分別進行了理論推導和數值計算，對集水箱旋轉氣流中橫流噴霧過程進行了三維數值模擬，並分析了旋流數對氣/霧兩相流傳熱傳質的影響，為提高噴霧冷卻效果提供了設計依據。
