Для представления результатов наблюдений режимов течения обычно прибегают к построению графиков, на которых откладывают значения массовых расходов каждой из двух фаз; для построения графиков другого вида откладывают значения общей массовой скорости (полный массовый расход, деленный на полную площадь сечения) на одной оси и долю массового расхода потока пара или газа на другой оси. После того как результаты всех наблюдений соответствующим образом нанесены на график, на нем прочерчиваются линии, чтобы обозначить границы между различными режимами течения. Получаемая таким способом диаграмма называется "картой разновидностей течения" или "картой режимов течения". При построении некоторых типов таких карт делаются попытки взять в расчет геометрию канала и физические свойства жидкости путем соответствующего подбора наносимых на график параметров. Существует много видов подобным образом получаемых карт, и нет необходимости описывать все их в настоящей книге. Однако читатель, который желает получить более обстоятельную информацию об используемых диаграммах режимов течения, может обратиться к работе Фора [359] в которой приводится обзор литературы по этому вопросу. Некоторые полезные замечания, касающиеся построения и использования таких диаграмм, сделаны также Скоттом [305]. В настоящей книге будут представлены две диаграммы - одна для горизонтального, другая для вертикального течения. Они служат хорошей иллюстрацией метода и в то же время представляют источник, из которого могут быть выявлены (по крайней мере приблизительно) существующие в любых конкретных условиях режимы течения.

Для горизонтального течения наиболее широко известна и чаще всего используется карта режимов течения Бейкера [16]. Диаграмма Бейкера, модифицированная Скоттом [305], показана на рис. 2.3; на диаграмме G_L, и G_G - массовые скорости соответственно жидкой и газообразной фаз [кг/(м3*ч)], а параметры λ и ψ представляют нормирующие коэффициенты для физических свойств каждой из фаз в данной системе и определяются следующими уравнениями, которые представлены в форме отношений физических свойств фаз, составляющих систему, к физическим свойствам воздуха и воды при атмосферных температуре и давлении:

где ρ_L и ρ_G - плотность соответственно жидкой и газообразной фаз; σ - поверхностное натяжение; μ_L- вязкость жидкости; индексы А и W относятся к соответствующим значениям для воздуха и воды при атмосферном давлении.

Хотя диаграмма Бейкера очень полезна для определения качественной картины режимов течения в горизонтальном канале, действительные результаты могут очень существенно отклоняться от этой диаграммы. Например, Хоогедоорн [175] использовал различные входные условия при одной и той же геометрии канала и расходах отдельных фаз для получения различных режимов течения. Величины могущих возникнуть отклонений можно видеть на рис. 2.4, на котором нанесены для сравнения данные о режимах течения в трубе с диаметром 12,7 мм, полученные Ньюсоном [265], и данные, заимствованные из диаграммы Бейкера. Диаграмма режимов течения, типичных для течения в вертикальном канале, построенная Гриффитсом и Уоллисом [139], показана на

рис. 2.5; здесь Q_G и Q_L - объемные расходы соответственно газообразной и жидкой фаз; А - площадь поперечного сечения канала; do - эквивалентный диаметр; g - ускорение силы тяжести. На диаграмме Гриффитса и Уоллиса режимы течения представлены в зависимости от безразмерных отношений, поэтому может быть использована любая внутренне согласованная система единиц. Следует отметить, что показанные на рис.2.5 пенистый, туманообразный и кольцевой режимы течения взаимно перекрываются и не видно четкого перехода от пузырькового течения к туманообразному и кольцевому течениям. По-видимому, существует необходимость предпринять попытку проведения более тонкой классификации, однако рис. 2.5 рассматривать как наглядную иллюстрацию общей картины режимов течений.

Одной из главных трудностей в прогнозировании режимов течения, как, впрочем, и во всех остальных вопросах, касающихся двухфазных течений, является то, что большинство имеющихся в распоряжении исследователей сведений получены для узкого интервала условий; как правило, изучались воздушно-водяные течения при давлениях, близких и атмосферному, в ограниченном диапазоне поперечных сечений каналов. Режимы течения, существующие, скажем, в котле высокого давления, в большинстве случаев еще неизвестны. Беннет и др. [24] сообщили об обширных исследованиях с помощью киносъемки двухфазных пароводяных течений, образуемых кипящей водой, движущейся в трубе длиной 3,6 м и диаметром 12,7 мм. Диаграмма режимов течения, которые наблюдались в процессе этих исследований при давлении 70,3 кгс/см², показана на рис. 2.6 в виде зависимости полного массового расхода от "термодинамического качества". Паросодержание определяется обычно как отношение расхода пара к полному расходу потока. Однако на практике во многих случаях расходы каждой из фаз в отдельности бывают неизвестны. Зато часто бывает нетрудно определить среднюю энтальпию (iтр) двухфазной смеси в данной точке канала: ее величина определяется как сумма энтальпии на входе и подводимого тепла на единицу массы движущегося потока

Если эти фазы находятся в термодинамическом равновесии, то энтальпию двухфазного потока можно представить в виде
(2.3)
где х - паросодержание, а дополнительный индекс S относится к насыщенному состоянию.