本科生科研指南（38）：声速漫谈之气液两相流

张宇宁

华北电力大学（北京）

在我们平时生活中常用的自来水中，实际上，水里面溶解了一定量的气体。即使水中溶解的这些气体的含量非常的微小，其对于声速的传播都有可能产生非常显著的影响。具体而言，当声波或者压力波在管道中进行传播的时候，很可能因为这些气体的存在而形成气液两相流从而发生声波传播速度的改变。在本期博客中，结合工程中的实际应用，探讨一下声波在气液两相流中传播时所涉及的现象。

管道流动在各类工程应用中司空见惯，包括南水北调工程中输送水的巨型管道、石油工业中运送石油的管道。在水力发电站中，一般通过建设大坝将水蓄积在上水库中，然后通过引水管道将其引入到水轮机等发电设备之中。因为电网的用电负荷存在显著的波动，当机组不需要发电之时或者设备检修过程中，需要用阀门将引水管道中的水关闭掉。

关于阀门大家并不陌生，家家都有的水龙头便是一种简单的阀门。我们可以将手指作为阀门对其过程进行一番尝试和体验。当把水龙头打开时，我们用手指逐渐堵住水龙头的出水口，尝试模拟阀门关闭过程。在此过程中，我们发现水流速度会迅速的升高，这是因为水流因我们手指的阻隔受到限制，减少了其流动的截面积。在流量一定的情况下，迫使水流提高流速从我们的手指与水龙头的缝隙中流出。当将“阀门”完全关闭，我们的手指会感受到些许水流对手指的作用力。当流量越大的时候，这种作用力感觉越为明显。这主要是因为水流的动能全部转化为其他形式的能量以及水流中本身具有的压强势能导致的。

在水电站的运行过程中，需要用阀门的开启控制引水管道中的水流。但是，对于阀门的关闭过程，需要特别的小心，否则很有可能酿成巨大的灾难性事故。与上述用手指堵住水龙头实验相同的是，阀门的关闭将导致流体中压强的升高。但与上述实验不同的是，水电站中的水因为从较高的位置流下来，其重力势能几乎全部转化为动能，其流速较快。此时，如果迅速将阀门关闭，上述动能将在阀门处引起巨大的压力，并沿流动的相反方向产生一个压力波，简称为“水击现象”。

一般而言，上述压力波基本上以声速进行传播，沿着上游一直传播到管道的入口，然后被反弹回来，又传播到阀门，如此反复直至其能量被完全耗散。工程上，迫切需要对压力波的传播速度进行准确的预测，从而确定阀门的关闭速度。为了保护阀门及电站系统，一般需要适当地调整阀门的关闭速度，使得当上游反弹回来的压力波到达阀门处时，阀门尚未完全关闭，从而避免阀门处压力的急剧升高及其可能造成的损伤。

当阀门关闭产生的压力波在水中传播之时，水中的小气泡很可能会发挥重要的作用。例如，当压力波经过之时，气泡会产生振荡（注一），从而改变声速。在很多情形下，气泡即使只有万分之一左右的体积百分含量，便足以显著地影响声速。去了对声速的影响以外，气泡振荡因其耗散了一部分能量也可以影响压力波的幅值。

在水中的气泡半径呈一定的有规律的分布，气泡总体的影响可以对上述不同半径气泡的影响及其含量进行积分来确定。当上述压力波的幅值越大之时，其引起的气泡振荡也越为剧烈，而上述气泡振荡对声速的影响也越为强烈。

当阀门关闭产生的压力波过于强烈之时，因其对电站的正常运行存在较大的安全隐患，需要引入相关装置进行专门处理。一般而言，可以通过在电站中引入能量耗散组件实现上述压力波的能量衰减。例如，在管道中设置一个与外界相连的井（简称“调压井”），从而起到调节作用。当管道中的阀门关闭之时，管道中的压力迅速升高，远高于外界的大气压。此时，部分流体流入到调压井之中，从而引起井中水体水位的升高及后续的振荡，起到能量耗散的作用。值得一提的是，上述调压井的造价很高，需要严密论证。

综上所述，本科生可以逐步领会到即使是水中不起眼的小气泡在某些情形下也会有巨大的作用，包括对声速的影响等等。

注释部分

注一： 关于压力波导致的气泡振荡，参见笔者以下博文：

本科生科研指南（37）：声速漫谈之声致振荡

http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1225612.html