为什么一出现气液双相流，管道就开始出问题了？

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在很多工程系统中，气体与液体并不是“各走各的”，而是同时存在、相互作用、共同流动。这种现象在流体力学中被称为——气液双相流。

两相流是指两种不同相在通道、管道或管路中相互作用的流动，形成独特的流动行为和模式，这是表面张力、重力和粘性等各种力相互作用的结果。这种相互作用会导致流经通道的物质的压力和速度发生变化。

与单相流（只流动气体或液体）不同，气液双相流的复杂性来自一个核心要素：气相与液相之间不断变化的界面。

正是这个界面，使得双相流成为工程中最难预测、却又无法回避的问题之一。它决定系统能耗、传热上限、设备寿命，甚至决定是否会发生失稳和事故。

在油气集输、核电冷却、锅炉蒸发器、制冷系统、化工反应器、航天热控等领域，“单相流的直觉”经常失效。

一

“相”和“界面”

在专业语境中，“相（phase）”指的是一定体积或质量的固体、液体或气体物质，热力学性质上均匀、彼此可区分的物质状态，它们具有不同的速度、性质和温度。例如气相和液相。

气液双相流，并不是“气体 + 液体一起流动”这么简单，而是意味着：

• 两相具有截然不同的密度、黏度和可压缩性

• 两相之间存在清晰但不断变化的界面

• 界面的位置、形态和数量，直接决定系统行为

这个界面可能是一个气泡的外表面，一层贴附在壁面的液膜，或无数高速运动的液滴表面等。

因此，工程上研究双相流，是在研究界面如何生成、演化、破碎、消失，以及它如何影响动量和能量传递。

二

流型（Flow Pattern）

在气液双相流中，气相和液相在空间中的分布方式，被称为流型。流型并不是为了“描述现象”，而是工程计算的前置条件。因为同一套管道、同一对工况参数，在不同流型下，压降和传热可能相差数倍。

常见流型可以这样理解：

• 泡状流：

  气相以小气泡形式分散在连续液体中 → 适用于低含气率工况，常见于沸腾初期

• 弹状流（段塞流）：

  大气泡与液塞交替出现 → 会引起明显的压力与流量周期性波动

• 层状 / 波状流：气液因重力分层，界面可能起波 → 多见于水平管道、低流速条件

• 环状流：气体高速流动于管道中心，液体形成壁面液膜 → 是高热流密度系统中最关键、也最危险的流型之一

• 雾状流：液体被完全打散为液滴，悬浮在气体中 → 壁面润湿能力显著下降

流型之间的转变往往是非连续的，一旦跨越边界，系统行为可能“突然变脸”。

三

空隙率、含气率与滑移

在双相流中，我们无法用一个“速度”或“密度”描述系统，因此引入了几个关键物理量：

空隙率（Void Fraction，α）

指在某一截面或体积中，气相所占的体积分数。它决定了混合物的平均密度，也是重力压降和声速计算的关键参数。

质量含气率（干度，Quality，x）

指气相在质量层面所占的比例，常用于沸腾与冷凝分析。例如 x=0.2x = 0.2x=0.2，意味着 20% 的质量已经转化为气相。

滑移比（Slip Ratio）

描述气相与液相平均速度之比。由于气体通常比液体快，这一差异会直接影响测量结果和模型精度。

这三个量的核心难点在于：它们往往无法直接测量，只能通过模型反推。

四

双相流压降

双相流的压降可分为三部分：

1. 摩擦压降：由流体与壁面、相间剪切产生

2. 重力压降：由混合密度与高度差决定

3. 加速压降：由流速变化引起，在发生相变时尤为显著

不同之处在于：

• 壁面不一定始终被液体润湿

• 相变会改变总质量分布

• 相间滑移会引入额外动量交换

因此工程中常见两类模型：

均质模型：假设两相速度相同，适合快速估算

分离流模型（两流体模型）：分别对气、液建模，通过界面相互作用耦合

前者简单，后者更接近真实，但都依赖经验闭合。

五

沸腾、冷凝与临界热流密度

核态沸腾

在壁面上生成气泡，气泡生长、脱离并带走热量，是高效传热的主要原因。其中，气泡底部存在极薄的液膜，蒸发速率极高。

临界热流密度（CHF）

当热流密度增大到某个阈值，壁面会从“被液体润湿”变成“被蒸汽隔开”，传热系数骤降，壁温暴涨——这就是工程上最怕的干涸/烧干（尤其核电、锅炉、电子冷却）。

CHF 不是“温度高一点”的问题，而是相态与界面结构发生突变。

冷凝

冷凝过程通常受壁面液膜控制，液膜越薄，热阻越小。高速气流既可能削薄液膜强化换热，也可能引发不稳定波动。

六

双相流失稳

双相系统往往是“流动-相变-压力-温度”闭环反馈系统，因此容易出现自激振荡。

常见失稳形式包括：

• 密度波振荡：由加热引起的密度变化反过来影响流量

• 压力降振荡：双相压降对流量的非单调关系导致多稳态

• 两相水锤：瞬态相变与压力波耦合形成强冲击

• 段塞冲击：液塞周期性撞击结构件，引发疲劳破坏

双相流事故很多时候不是“强度不够”，而是“流动形态突然变了”。

七

结语

气液双相流并不是一门靠背公式就能掌握的学科。

它既是流体力学问题，也是传热、相变、稳定性与工程系统的耦合问题。也正因为如此，它在能源、化工、制冷、核电和高端散热领域中，始终具有不可替代的地位。

一旦理解和掌控气液双相流，就能把能效、安全和性能同时往上抬一个台阶。

PROFILE

计为技术工程师

陈工

陈工，是计为自动化资深工程师，长期专注于液位测量设备的现场应用与技术改进，具备丰富的工程实践经验。曾多次参与石化、电力等行业项目，对雷达液位计、磁翻板液位计等仪表的选型、安装与故障分析有深入研究，尤其擅长解决密封、振动、温差等极端工况下的安装问题，帮助客户提升系统稳定性与测量可靠性。

计为专注于物位测量仪表的研发与生产，提供可靠的自动化解决方案。拥有50+项国家专利，荣获国家高新技术企业认证。

封面丨小黄

文字丨陈工

图片丨阿刀

审核丨小田

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