多相流体力学

流体力学术语

研究同种或异种化学成分物质的固-气、液-气、固-液或固-液-气系统共同流动规律的学科。

简介

研究同种或异种化学成分物质的固-气、液-气、固-液或固-液-气系统共同流动规律的学科。流体力学的一个

分支。 “相”可指不同的热力学集态（如固、液、气等不同物态），也可指同一集态下不同的物理性质或力学状态（如同一地点不同尺寸和速度或不同材料密度的颗粒或气泡等）。多相流的流场需用两组或两组以上流体力学和热力学参量（如速度、压强、温度、质量和组分浓度等）来描述。只需用两组参量描述的混合物流动称两相流动，常见的有气-液流动、气-固流动和液-固流动。

研究内容

多相流体力学研究的根本出发点是建立多相流模型和基本方程组。在此基础上分析各相的压强、速度、温度、表观密度和体积分数、气泡或颗粒尺寸分布、相间相互作用（如气泡或颗粒的阻力与传热传质）、颗粒湍流扩散、流型、压力降（两相流通过管道时引起的压差）、截面含气率、流动稳定性、流动的临界态等。描述多相流体可用不同的模型。对各相尺寸均较大（与流动的几何尺寸相比）的体系，可对各相内部分别运用单相流体力学模型写出各自的基本方程组。若分散相的尺寸不太大，一般用体积平均概念，即认为各相占据同一空间并相互渗透。这种情况下，可采取统一的连续介质模型描述多相流，其中又可分为无相间滑移的单流体模型（这时不同的相只看成是流体的不同组分）和有滑移的多流体模型或双流体模型。按后一模型，空间各点处每一相可有其各自不同的速度、体积分数和温度。对颗粒群悬浮体多相流，除上述模型外还有非连续介质的分散群的轨道模型和统计群模型。

研究方法

主要有半经验物理模型和统观实验法，数学模型及数值计算法，局部场的实验量测法等。　半经验物理模型和统观实验法　半经验物理模型指以实验观测为基础对多相流的流动形态作出半经验性的简化假设以便进行简化分析计算，如假定多相流为一维柱塞流 (plug flow)等。统观实验法指只研究外部参量变化规律，例如多相流在管道中的阻力或平均传热量与流速间的关系、平均的体积分数等，不研究多相流中各种变量的场分布规律。

数学模型和数值计算法　对多相流基本方程组中各个湍流输运项、相间相互作用项和源项的物理规律以实验或公设为基础提出一定的表达式，使联立的方程组封闭，能够求解，这就是建立数学模型。联立的非线性偏微分方程组只能用数值法，如有限差分方法或有限元法求解。已经制定了二维和三维多相湍流流动计算程序软件，可以初步用于计算旋风除尘器、煤粉燃烧室和气化室、液雾燃烧室、反应堆中水-汽系统以及炮膛中气-固或气- 液各相中的压力、速度、温度、体积分数等的分布。目前，正在研制用于工程中最优化设计的软件。

实验量测法　研究多相流的流动、传热、传质以及化学反应等规律时，观测其流型，测量各相的速度、流量、尺寸、浓度、体积分数或含气率、温度分布等十分重要。观测流型常常用高速摄影、全息照相和电测法等。测量颗粒尺寸分布可用印痕或溶液捕获法、光学或激光散射法、激光全息术、激光多普勒法（LDV法）等。测量流量、速度、浓度、重量含气率分布等可以用 LDV法、取样探针、电探针、光导纤维探针、分离器法等。测量平均截面含气率可用放射性同位素法、γ射线法、分离器法等。

气-液流动

气体和液体混合物的两相流动体系。通常分为单成分两相流和双成分两相流。前者是具有相同化学成分的同质异态两相流，如水和蒸汽两相流；后者是具有不同化学成分的异质异态两相流，如水和空气两相流。气-液流动包括掺有气泡的液体流动和带有液滴的气体流动，如掺气水流和含雾滴的大气流动等。气-液流动因管道压力、流量、热负荷、流向、工质物性等的不同，可形成各种不同流型。竖管中最常见的流型（见图）有：细小气泡散布于液相中的气泡状流型；管中心为气弹、壁附近为连续液膜的气弹状流型；管中心为夹带细小液滴的气核和壁附近为连续液膜的环状流型；气相中含细小液滴和壁附近无连续液膜的雾状流型。不同的流型有不同的流体动力学和传热传质规律。对流型的分析方法，目前工程上应用较多的有均相流模型和分相流模型，前者适用于较均匀的气泡状流，后者用于有明显分界面的层状流。气-液两相流通过管道引起的压差称为压力降。在任意通流截面上，气相在两相混合物中所占的截面分数称为空隙率，它是计算重位压力降和加速压力降必不可少的参量。设计中，必须计算气-液两相流的压力降以确定所需动力，保证设备安全经济地运转。

竖管中常见的气-液两相流流型

液-固流动

液体和固体颗粒混合物的两相流动体系。流动中，固体颗粒在液体和重力作用下，可发生悬浮、扩散、迁移和沉积等基本动力过程。按颗粒容积率（颗粒群的容积占多相流总容积的分额）jp 和液体容积率 jL 的相对大小，液-固流动可分为沉积流(jpjL)、渗流（jpjL）和混浆流（jp≈jL）。沉积流研究的是较低流速下固体颗粒的输运和堆积问题。渗流研究的是颗粒流态化前流体流经多孔介质的问题。混浆流研究的是泥浆流、煤浆流、纸浆流、纤维悬浮物等的混合物流动问题。在各种物料的水力输送、地下采油等过程中常遇到这类流动。

气-固流动

气体和固体颗粒混合物的两相流动体系。其基本动力过程和现象与液-固流动相同，只是连续相（气体）的密度不大。风中沙、雪的运动、粉粒状物料经管道的气力输送，以及固体颗粒的分离、粉状燃料的燃烧和喷涂等都是气-固流动的实例。固体燃料火箭发动机、气-固流化床中则涉及具有更为复杂的物理、化学过程的气-固流动。

流-固流动

气-固流动和液-固流动合称流-固流动。在这类流动中，通常是微小颗粒（包括固体颗粒、液滴和气泡）分散于连续介质的流体中，所以常把颗粒相称为分散相，而把液体相称为连续相。流体中含有颗粒相后，其粘度、阻力系数、传热系数和声速等与单相流显著不同，通常可用宏观的连续介质理论和微观的分子运动论分析这类问题。颗粒在流体中除了因时均运动产生的轨道效应外，还有因流体湍流脉动而造成的湍流扩散。流体的湍流粘性越高，颗粒越小，则颗粒湍流扩散系数越大，并且越接近于流体的湍流扩散系数。为了改善混合，常要强化湍流扩散。

应用

多相流动广泛存在于自然界和工程设备中，如含尘埃的大气和云雾、含沙水流、各种喷雾冷却、粉末喷涂、血管流、含固体粉末的火箭尾气、炮膛内火药颗粒及其燃烧产物的流动等。就大量工程问题而言，多相流体力学主要应用于粉粒物料的管道输送、颗粒分离和除尘、液雾和煤粉悬浮体的燃烧和气化、流化床和流化床燃烧以及锅炉、反应堆、化工、冶炼和采油等装置中的气-液流动等方面，其目的是节省管道输送能量，提高分离或除尘效率，改善传热传质或燃烧中颗粒混合，改善锅炉的水循环，提高反应堆冷却的安全性等。

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