谈两相这个事情,最容易引起误解。这两个字好认,但各人有各人的见解。
电学出身的,第一想到的就是单相电、两相电、三相电,两相的英文就是two-phase.
搞心理学研究的,则可能会想到双相情感障碍,形容人在躁狂与抑郁这两相之间交替反复,处在这个阶段也是蛮难捉摸的。
搞佛学研究的,会直接搬出金刚经所说的:“凡所有相,皆是虚妄,若见诸相非相,即见如来”,不要被显化的相所迷惑。
而传热和流动研究者的观点,则自然想到是物质相态的两相,例如汽液两相,固液两相,等等。
两相固然复杂,而两相再流动起来——两相流,就更加难以捉摸。
不好捉摸的东西,我们总要找点什么当抓手。所以,就要引入一些概念,让两相流变得容易理解一点。
今天谈一个小概念:干度。
干度是什么
干度,英文是quality,顾名思义是质量的意思,确实也大差不差。干度是指汽液两相流中,在某一个截面处,汽相(气相)的质量流率与总质量流率的比值。它表示在该截面处,汽相(气相)所占的质量比例。
但这个定义有不方便的地方,因为两相流中某一相的质量流率,以及两相流的总质量流率,都是很难测量的。而且,以上的定义式中,是广义的包含了汽液两相非热平衡的状态。
当且仅当两相流中汽液两相达到热平衡的时候,干度定义式可以转化为下式计算:
其中,i是某截面处的整体焓值(根据总质量流率和能量守恒可得),i_f是饱和液相的焓值,i_fg是液相到汽相的汽化潜热值。
在两相流研究的数据分析中,我们基本都是用的这个定义去整理归纳传热规律,得到无量纲关联式。
有用的概念一旦形成共识,可以便于研究者整理大量的研究数据,形成实用的经验或计算公式,以便后人使用。
干度可以测量吗
然而,有用,并不表示真实存在,或者可以用尺子丈量。
就像“上帝”这个概念,伏尔泰曾说: 即使上帝不存在,我们也需要创造一个上帝;即使你只统治一个村庄,它也需要上帝。
你无法要求基督徒用理性的证据向你证明上帝的存在。悖论在于,即使你能用理性证明,你也就不信上帝了,信则得救。
你也无法用什么测量工具去直接测试出两相流某个截面处的干度。
即使你弄一个混合装置,促进两相之间的混合以达到热平衡,也不可避免会造成两相流压力的变化,从而改变了两相流的干度。
即使达到了热平衡,由于汽液两相之间可能存在相互掺混,也无从得到汽相或液相分别是多少质量流率;而混合后的整体焓值i,更是无法测量。
两相流的流型:两相掺混或分离流动
眼见为实吗?
作为概念的干度,虽然无法直接测量,殊难捉摸,但回归本质,要记得质量二字。
这个质量二字,重若千钧,可不能轻看过去了。一不小心,就会误以为是面积或体积比,因为人都惯性地相信眼见为实,人眼或机器能观测到的什么比例,一般是面积比或者是体积比,很少有人能一眼看出质量比,也许有超人吧!
为什么这么强调质量而非眼见为实的面积或体积呢?以下图为例。当干度为0时,意味着热平衡状态下流体的焓值等于饱和液相的焓值。这个话是什么意思呢?代表这个状态不会有汽态存在吗?
从上图可以看出,在干度为0的时候,就已经有汽态了,也就是说眼见为实的话,如果以面积或体积比计量,这个汽相比例肯定不为0.
实际上,这个图片反映的是真实状态,加热壁面附近先有汽泡,则附近液体也必然是过热的,根据能量守恒,同一截面上有的点过热,那就必然有的点会过冷——这就是真实的非热平衡态。
这么一绕,这个概念就有点让人头晕了,其实它就是一个概念,与真实存在一定差距:干度为0,不能说明不存在汽相(流动沸腾时);同理,干度为1,也不能说明不存在液相(流动冷凝时);干度很小,也不能说明汽态很少(面积或体积意义上),如果流体的汽态密度远远小于液态,例如水,那么一点点质量比就是一个大大的体积比了,比如3%的干度时可能汽相面积占比就高达80%——视觉效果就是一眼看去全是汽。
这个面积占比,倒是可以用一些光学或电学的方法测量:
激光测量两相流空泡率
这测量的就是空泡率的概念了,留待今后再说。
如果非要说一句话作为结论:
凡所有相,皆是虚妄。