Характеристика двухфазных потоков

Двухфазные вещества могут быть следующих типов:

1. смесь жидкости и твердой фазы,
2. смесь газа и твердой фазы,
3. смесь жидкости с газом или паром.

Чаще всего встречаются смеси первой группы, к  ним относятся различные гидросмеси или пульпы. Так, например, по трубам могут перемещать строительные растворы и бетонные смеси, каменный уголь и торф, различные горные породы, калийные соли, песок, грунт и многие другие материалы. Смесь газа с твердым веществом  имеет место при движении по трубам  угольного топлива размельченного в пыль и при воздушном транспорте муки, цемента и других подобных веществ. Наиболее ярким  примером двухфазной смеси третьего типа - газонасыщенная нефть и влажный пар.

Измерение расхода двухфазных веществ имеет свои особенности. Они связанные с неоднородностью состава смеси, а так же с тем, что скорости, концентрации, структуры отдельных фаз разные.

Довольно часто концентрация отдельных фаз смеси меняется по длине трубы,  поэтому измерение мгновенного расхода не может отразить реальный расход. В этом случае только среднее значение расхода за некоторый интервал времени может правильно характеризовать двухфазный поток. Минимальный интервал осреднения зависит от структуры потока и для смеси жидкости с газом (паром) иногда достигает  90—100 с. Далее средняя скорость тяжелой фазы, как правило, меньше скорости легкой фазы, что серьезно усложняет определение, как среднего расхода смеси, так и определение расхода его отдельных фаз. Поэтому ввели такие понятия как истинная и расходная концентрации фаз, а также истинная и расходная плотность смеси.

В зависимости от метода измерения (по массе или объему) концентрация веществ может быть объемной или массовой.  Истинную концентрацию одного из компонентов смеси, например легкого, можно определить по отношению объема Vл этого компонента к общему (суммарному) объему Vс =Vт + Vл смеси в определенном отрезке трубы. Длина этого отрезка L должна быть достаточна, чтобы обеспечить правильное соотношение среднего содержания той и другой фазы.

Связь между концентрациями обоих компонентов определяется уравнением:

φ_о = 1- η_о,

где  φ_о  и  η_о — объемная концентрации легкого и тяжелого компонента соответственно.

Зависимость для расходной объемной концентрации тяжелого компонента смеси:  δо= Qт/ Qс.

Зависимость для расходной объемной концентрации легкого компонента смеси:

βо = Qл/ Qс,

где  Qт, Qл, Qс- объемные расходы тяжелого, легкого компонентов и смеси соответственно.

Расходная  δо (βо) концентрация вещества прямопропорциональна произведению истинной  ηо (φо) концентрации на его скорость vт (л) и обратнопропорциональна общей скорости смеси vс.

Обычно  скорости перемещения фаз жидкости подчиняются следующему правилу v_л > v_с > v_т, поэтому расходная концентрация β_о тяжелого компонента меньше истинной η_о, а легкого компонента, наоборот, больше истинной, т. е. βо > φ_о. Так, в газожидкостных потоках при больших скоростях v_с смеси скорость газа v_л = (1,24-1,25) v_с. Соответственно φ_о = (0,84-0,83) β_о. При малых скоростях разница между φ_о и β_о еще больше. Иногда концентрация тяжелого компонента задается по отношению не ко всей смеси, а только к легкому компоненту.

Ранее рассмотрены примеры для объемной концентрации, однако все вышеописанные выводы справедливы и для концентраций определенных по массе.

Структура двухфазного потока зависит от:

• диаметра трубопровода;
• процентного содержания той или иной фазы;
• скорости потока;
• расположения трубы в пространстве.

Если концентрация одной из фаз мала, то получим дисперсную или пузырьковую структуру, при которой капли жидкости (или пузырьки пара) равномерно распределены в паре (или жидкости). С увеличением доли жидкости начинается расслоение фаз и появление раздельного течения. В вертикальной трубе жидкость все в большей степени располагается в виде кольцевого слоя вдоль стенок, а в средней части еще сохраняется дисперсионно-капельная структура. Такую переходную структуру называют дисперсно-кольцевой. Если продолжить увеличивать долю жидкости в смеси наступает полностью расслоенное течение, которое в вертикальной трубе имеет кольцевую структуру, центральная часть заполнена одним паром или газом.

Рисунок 1- Структуры парожидкостного потока в вертикальной трубе

Рисунок 2-  Структуры парожидкостного потока в горизонтальной трубе

В горизонтальной трубе при расслоенном течении нет кольцевого слоя жидкости. Последняя под действием сил тяжести все в большей мере опускается вниз и движется по нижней части трубы, а в верхней ее части перемещаются пар или газ вместе с еще не осевшими каплями жидкости (рис.2, а). С увеличением скорости потока и одновременном возрастании доли жидкости на поверхности раздела фаз начинают возникать волновые гребни (рис. 1, г и 2, б). Они растут с увеличением скорости и начинают рассекать на отдельные части поток пара или газа, движущийся в центре вертикальной трубы (рис. 1, д) или в верхней части горизонтальной трубы (рис. 2, в). Так возникает пробковая или снарядная структура потока (рис. 1, е и 2, г). Здесь пар или газ перемещается в виде отдельных пробок или пузырей, перекрывающих полностью или частично сечение трубы. Их частота (от доли герц до 4—5 Гц) зависит от скорости потока v_с и от β_о. При дальнейшем росте доли жидкости газовые пробки уменьшается в размере, переходя частично в мелкие газовые пузыри. Возникает пузырьково-снарядная структура (рис. 1, ж и 2, д), которая затем переходит в пузырьковую. В вертикальной трубе пузырьки распределены равномерно по сечению (рис. 1, з), а в горизонтальной они движутся в верхней части (рис. 2, е).

При увеличении доли газа в смеси имеем обратную картину перехода от жидкостного однофазного потока (рис. 2, и) к пузырьковой (рис. 1, э и 2, е), пузырьково-снарядной (рис. 1, ж и 2, д) и пробковой или снарядной структуре (рис. 1, е и  2, г). При дальнейшем увеличении газосодержания в потоке, сопровождающемся обычно увеличением средней скорости газа, происходит переход от пробковой структуры к расслоенному течению, вначале с волнами на границе раздела фаз (рис. 1, г и 2, б, в). Амплитуда этих волн уменьшается по мере увеличения доли газа тем раньше, чем меньше средняя скорость потока, и поверхность раздела фаз становится гладкой (рис. 2, а). Затем наступает дисперсная структура (рис. 1, б) и при полном отсутствии жидкости образуется однофазный поток (рис. 1, а). [1]

В промышленных трубопроводах наиболее распространена пробковая структура потока.

Используемая литература:

Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с