单相流动通常用层流和紊流描述,在两相流中用层流和紊流分别描述每一相,称为流动机制。流型和流动机制是相互关联的,且与每一相的流量、热负荷、压力、通道的几何形状和壁面特性等因素均有关。流型的变更伴随着动量传递及传热特性的改变,不同的流型会形成不同的流动和传热机理,产生不同的流动压降,在有些情况下,会影响流动的稳定性,出现传热恶化。对流型及其转换的研究是两相流流动和传热计算的基础。
垂直上升加热管中,具有一定欠焓的单相流体从管子底部进入,向上流动并不断受热,经历不同的流动结构及相应的传热区域。通常会出现泡状流、弹状流(又称塞状流和块状流)、环状流和滴状流(又称雾状流)等流型。
①泡状流。在低质量含汽率区,连续的液相中包含分散的小汽泡。
②弹状流。随着加热的进行,沿流动方向含汽率增加,小汽泡聚合成尺寸接近通道直径的呈弹头状的大汽泡。这是一种不稳定的过渡流型,压力较高时一般不会形成弹状流动。
③环状流。当含汽量更大时,弹状汽泡汇聚成汽柱沿管子中心流动,而水形成环状沿管壁流动,此时管壁上液膜厚度较厚,液膜中弥散着汽泡,汽相中夹带着液滴。当液体速度较高,夹带的液滴很多,可能合并成液块或液束,形成液丝环状流,液丝环状流是高质量流量下特有的流型。
④有夹带的环状流。环状流的液膜厚度随含汽率增加而减薄,此时液膜热阻减小,使得紧贴管壁的液体不能过热形成汽泡,液膜中的汽泡消失,气液分界面上液体蒸发产生蒸汽,中心汽流从液膜表面卷吸细小的水滴散布在汽流中。
⑤滴状流。在高质量含汽率区,连续的汽相流中分散细小的液滴。
在受热上升管的泡状流或弹状流区域,在较低质量含汽率范围内,若传热强度很高,易形成膜态沸腾(第一类传热危机),发生传热恶化;在滴状流区域,将发生液膜蒸干(第二类传热危机)。
受热水平管内气液两相流流型如图所示。由于受到浮升力的影响,蒸汽多聚集在管子的上部,形成不对称的流动结构,主要包括泡状流、塞状流、弹状流、波状流、环状流,在流速减小到某一界限值时还会形成分层流。与垂直管不同的是,水平管内泡状流和弹状流的汽泡偏上,环状流中管子上部液膜比下部薄,上部会提前出现蒸干现象。
非加热管的气液两相流动中也会产生类似加热管的流型。工程上用流型图确定流型。流型图是通过实验或通过流型计算得到的流型与流动参数的关系,但对其研究还很不充分。