環狀流

環狀流是氣-液兩相流中管壁上為環狀液膜流、中央為柱形氣流，低溫時可能管壁上為環狀氣流、中央為液柱流的一種流型。中心氣流中含小液滴時稱環-霧狀流(環霧流)，含液條或液絲時稱液絲環狀流，而液膜中含小氣泡時則稱氣泡環狀流。在加熱管、蒸發器和天然氣管道中，當氣液質量比即干度 x>0.1時，幾乎都屬於這種流型。分析環狀流，通常將氣相和液相分開加以考察，但須考慮相界面上的相互作用。由於兩相流動狀況和液膜粗糙度不同，界面上相互作用的差別很大，因而對界面剪應力、壁面剪應力以及壓降梯度等都應作相應的計算。

氣液兩相環狀流是工程實踐中經常遇到的一種流型，是一種希望保持或出現的安全經濟的流動型式，研究並預報其特性及轉變機理，具有很重要的學術意義和工業應用價值。Butterworth分析了前人的工作成績，指出影響環狀流形成及其穩定性的因素有：(1)液體表面張力的吸附作用；(2)紊流擾動及二次流對液相的離散作用：(3)氣液界面的波動及其發展；(4)氣流中心對液體界面的卷吸和夾帶及與此相反的中心氣流中液滴向液膜的再沉積，但並沒有對各種因素的作用機制或原理進行深入分析。Taitel.Y等人從Kelvin-Helmhotz不穩定性出發分析了水平管內環狀流的轉變，但理論與實驗結果相差很大；對垂直上升流動，他們則從氣柱夾帶角度作了分析。此外Choe，Weisman等人也對此進行了研究。Kabdrnbi則從動量平衡與能量傳遞角度進行了討論，但都限於對直管水平或垂直向上流動的情況。Barnea.D，Spedding.P等開展了傾斜管及垂直向下流管內的流型研究，運用力平衡和夾帶沉積機理對立式和卧式螺旋管內環狀流轉變進行了研究，並給出了差別準則。

當氣相速度較高而液相速度較低時常常出現環狀流，環狀流中高速氣相夾帶部分液滴且和液滴在管中心流動，而液膜環繞著內管壁。夾帶分數定義為氣核中以液滴形式存在的液相流量與總液相流量的比值。夾帶分數的預測對環狀流中壓降、持液率和干度的估計和分離器的設計和優化有著重要作用。

環狀流中的高速氣流引起大的剪切速度，導致界面剪應力較大，從而在液膜和氣相波狀界面上產生液滴。這些液滴可以在氣相中合併，最終重新在液膜上沉積。當氣相流速足夠大時，一些液滴碰撞管壁頂部，形成非常薄的液膜。當液相速度較大時，液滴的夾帶和沉積使得管壁一側的液膜由於大振幅的擾動波變得足夠厚，從而產生間歇流。

目前，對氣液兩相水平和垂直環狀流都進行了很多理論研究。環狀流主要有3個特點：氣液界面上存在一系列波；從氣液界面夾帶至氣核的夾帶液滴；部分夾帶液滴重新沉積在氣液界面上。

（1）液滴直徑分佈強烈依賴於氣相流量，很少依賴於液相速度。液滴直徑隨著氣相流量的增大而減小，通過增大氣相速度，液滴直徑分佈向較小直徑轉移且其分佈更趨於平均分佈。

（2）液滴直徑和氣相速度成反比，而對於液相表觀速度，一些情況下使液滴直徑增大，另一些情況下使液滴直徑減小。但對於水平流動和垂直流動，液滴直徑正比於液相表觀速度，因為氣相和液相之間的相對速度決定了液滴直徑，液滴直徑隨著相對速度的減小而增大，即較大的液相速度能產生較大的液滴。同時液滴直徑隨著管徑的增大有增大的趨勢。

（3）液滴速度分佈的研究表明液滴速度為氣相速度的80%時，液滴平均速度隨著氣相速度的增大而增大。實驗觀察到液滴速度隨著氣相和液相速度的增大有很小的上升趨勢，直到液滴速度達到氣相速度的80%。同時液滴速度分佈的散布隨著氣相速度的增大而增大，氣相速度越大，產生的液滴越小，而這些較小的液滴以更大範圍的速度運動，這是因為較小的液滴容易受氣相湍流的強烈影響，引起橫向加速和減速，使液滴速度發生變化，而較大的液滴，不易受湍流的影響，表現出較窄的速度範圍。

（4）夾帶過程是由高速氣相引起的，高速氣相會剪切由於液相和氣相之間的速度差而在氣液界面上產生擾動波的波峰。夾帶分數是用於估計液相以液滴形式進入氣流時的數量。研究表明夾帶分數隨著液相和氣相流率的增大而增大，但是主要受氣相表觀速度的影響。