声速漫谈之：气汽液多相流

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在某些特殊情况下，液体会发生相变而汽化，加上液体中已经溶解的其他种类的气体，此时便会在液体中形成复杂的气汽液多相流。实际上，上述复杂多相流体在工程中非常的常见。例如，在水电站引水管道的核心控制阀门关闭的过程中，因为流体被阀门所阻塞会在管道中形成很强的压力波，并在管道和上游入水口间不断地传播，直至能量耗散殆尽。在上述压力波的不断传播过程中，在管道内部中的部分区域会形成一个低压的环境，从而使水发生汽化（又称为空化）。当声波在上述复杂的气汽液多相流中传播时，其声速会发生显著的变化并呈现诸多特征。结合笔者在本领域的研究经验，本文初步探讨一下与此现象相关的理论和知识。

平时，同学们都会用电水壶等烧开水。当水被加热到一定程度后，便会逐渐沸腾、汽化，大量的汽泡从水壶的底部浮升上来。在此过程中，为了使水发生相变，我们采用了提高温度的形式。在1个标准大气压的环境之下，水的沸点是我们所熟知的100摄氏度。海拔不同的地方，其大气压不同，因而根据热力学基本原理，其沸点也不同。例如，北京市的海拔是31.3米，其大气压很接近标准大气压，水的沸点为99.9摄氏度。对于海拔较高的地方，气压变低，水的沸点会比较低。例如，拉萨市的海拔3658米，其大气压通常在650百帕附近，水的沸点为88.4摄氏度。可以想象当大气压逐步降低之时，水的沸点也会逐步降低。当大气压达到2300帕斯卡左右时，水在常温20摄氏度下便可汽化。与上述烧开水过程中通过加热使水的温度提升来实现汽化不同的是，我们通过改变环境压力实现了水的汽化。通常，上述减压汽化的过程被称为“空化现象”。

图1 水的相图

在实际的工程应用中，空化的例子非常之多。对于大部分含有旋转部件的流体机械，因为其主轴旋转过程中会在其中心造成一个低压区，从而其中运行的流体很容易发生汽化。当流体机械的转速升高时，例如航空泵，空化则会越来越显著，大部分水电站的核心发电部件水轮机也大多会有空化的身影。除了旋转机械以外，当流体在某个部位发生急剧的收缩之时，将会导致其内部流体的速度升高、压力降低，此时也很容易发生空化。例如，当流体通过文丘里管时，在管道的最为狭窄之处（称为喉部）经常会发生空化。利用上述原理，科学家制成了各种各样的水洞对空化现象进行详细的研究。

对于声波在气汽液多相流中的传播，因为其影响因素众多且存在较为强烈的相互耦合，导致该问题的复杂度很高。其中，气体的存在会显著地影响整个过程。当压力恢复之时，汽化后的汽体会逐步凝结相变为液态。但水中含有的空气等并不会这样，因此又称其为非凝结气体。两种气体的性质非常不同。例如，当气压升高，汽体会迅速地凝结为水，而空气等只会被逐渐地被压缩，并在此过程中其内部压力随着体积的减小而增大，到一定程度便会反弹。从实验上讲，因为气体的含量和分布的控制较为容易实现，因此声波在气液两相流中传播的研究进展较为迅速。但是汽体的形成和控制却较难进行，且其凝结速度很快，实验难度较大。因此，该方向的研究很大程度上依赖于理论上的研究和分析。

现在我们讨论一下声速在气汽液多相流的变化。对于气液两相流，当声波频率低于1000赫兹时，声波在其中的传播速度基本上是一个常数，大概在几百米每秒左右。随着声波频率的升高，因为气泡的共振效应，声速会产生剧烈的波动。当声波的频率再进一步升高之时，因为气泡的振荡和影响微乎其微，气液两相流中的声速将等于水中的声速。对于气汽液多相流，声速只有在声波的频率非常之低（大概是0.1-10赫兹）时才是常数，且该情形下的声速非常之低，通常只有几米-20几米每秒左右，远低于气液两相流的情形。在某些极限的情形下，声速在气汽液多相流中的传播速度只有0.05米每秒，远低于其在单一介质中的声速。上述声速计算的一个重要意义在于保证设备的安全。例如，在水电站中，需要通过控制阀门的关闭速度来保证管道中形成的压力波传播到入水口再反弹回来之时，其阀门尚处于开启状态。上述计算过程中，研究人员需要对声速进行准确地计算方可得到正确的结果。

图2 声波在三种不同含汽量的气汽液多相流中传播速度的变化（注1）

注1：该图片引自笔者发表的以下论文中的图二。

Zhang, Y., Guo, Z. and Du, X., 2018. Wave propagation in liquids with oscillating vapor-gas bubbles. Applied Thermal Engineering, 133, pp.483-492.

来源：张宇宁科学网博客，作者：华北电力大学（北京）。