一文学习“多相流”：基础理论到应用（附22节多相流专题课）

作为流体力学中最具挑战性的分支，多相流研究两种或多种相态（气、液、固）物质的混合流动规律，其理论深度与工程价值并重，正成为解锁能源、环境、医疗等领域难题的关键钥匙。

本文将以专业视角，系统解读多相流的核心内涵，涵盖基础概念、理论框架、研究方法、工程应用及未来趋势，为读者构建一幅完整的多相流知识图谱。

2.1 相态与多相流的本质

相态的科学定义：相是物质中具有相同物理化学性质的均匀部分，气、液、固三态是最常见的相态。特殊条件下还存在超临界态（如超临界二氧化碳）、等离子态（如闪电中的电离气体）等。

多相流的核心特征：当两种或多种相态共存并发生宏观流动时，相间界面成为关键物理要素。例如，气泡在水中上升时，气液界面的变形与破裂直接影响流动阻力与传质效率。

2.2 多相流的分类体系

2.2.1 按相态组合分类

• 气-液两相流：广泛存在于锅炉、冷凝器等热力设备中，如蒸汽管道中的汽水混合物流动。在核电站的蒸汽发生器中，气-液两相流的稳定运行至关重要，一旦流动状态失控，可能引发严重的安全事故。此外，在大气中，云的形成和发展也涉及气-液两相流，水蒸气凝结成小水滴悬浮于空气中，其运动和变化影响着天气和气候 。

• 气-固两相流：典型场景包括气力输送（如面粉在管道中的流动）、沙漠风沙运动。在工业生产中，水泥、煤粉等粉状物料的气力输送过程，需要精确控制气- 固两相流的参数，以确保输送效率和设备安全。而在自然界，火山喷发时的火山灰随气流扩散，以及沙尘暴中沙尘颗粒的运动，都是气-固两相流的壮观体现。

• 液-固两相流：泥浆管道输送、河流泥沙运动是其经典案例。在深海采矿中，液-固两相流技术用于将海底的锰结核等矿物通过管道输送至海面平台，该过程涉及复杂的流动特性和颗粒运动规律。此外，在人体的泌尿系统中，尿液与结石颗粒的相互作用也可看作是一种特殊的液-固两相流现象，研究其流动特性有助于理解结石的形成和排出机制。

• 气-液-固三相流：石油开采中的油气水砂混合物、流化床反应器内的复杂流动。在石油工业中，随着开采深度的增加和油藏条件的复杂化，油气水砂三相流的研究变得尤为重要，它关系到原油的采收率和开采成本。在流化床反应器中，气体、液体和固体颗粒相互作用，实现高效的化学反应和传热传质过程，广泛应用于化工、能源等领域。

2.2.2 按流动结构分类（气液两相流为例）

• 泡状流：气体以离散气泡形式分散在液体中，如碳酸饮料开启时的气泡上升。在生物发酵过程中，向发酵罐内通入空气形成泡状流，气泡的大小、分布和上升速度直接影响微生物的供氧效率，进而影响发酵产物的质量和产量。

• 环状流：液体在管壁形成液膜，气体在中心流动，常见于高压天然气输送管道。在航空发动机的燃油喷射系统中，环状流的稳定形成有助于燃油的高效雾化和燃烧，提高发动机的性能和效率。

• 雾状流：液体以微小液滴形式悬浮于气体中，如喷雾干燥塔内的流动。在农业领域，农药的喷雾喷洒过程涉及雾状流，液滴的大小和分布影响农药的覆盖范围和效果；在空调系统的加湿过程中，雾状流的合理控制能提高空气的湿度均匀性和舒适度。

  
  

2.2.3 按物理过程分类

• 纯流动型：仅涉及相态混合，如大气中的云滴运动。在大气环境研究中，云滴的运动和碰撞过程影响着降水的形成，对纯流动型多相流的研究有助于提高天气预报的准确性。

• 相变型：伴随相变过程，如冰箱冷凝器中的制冷剂冷凝。在制冷系统中，制冷剂在蒸发器和冷凝器中的相变过程是实现制冷循环的关键，研究相变型多相流有助于优化制冷系统的性能，降低能耗。

• 反应型：耦合化学反应，如催化裂化装置中的气固催化反应。在石油化工行业，催化裂化是将重质油转化为轻质油的重要工艺，气固两相流与化学反应的耦合作用决定了反应的速率和产物分布，对反应型多相流的深入研究有助于提高石油资源的利用效率。

3.1 控制方程：描述流动的数学语言

多相流的理论建模基于连续介质假设，对每一相建立独立的守恒方程：

质量守恒方程：

其中，α_q为相体积分数，ρ_q为相密度，u_q为相速度，揭示各相质量随时间与空间的变化规律。

动量守恒方程：

方程右侧包含压力梯度、粘性应力、重力及相间作用力\(\mathbf{F}_{pq}\)，刻画各相动量传递的力学机制。

能量守恒方程：考虑传热、相变及化学反应的能量交换，如气液两相流中的蒸发吸热过程。

3.2 相间作用：多相流的核心物理机制

• 曳力（Drag Force）：流体对颗粒的粘性阻力，低雷诺数下遵循斯托克斯定律，高雷诺数时需采用修正模型（如 Ergun 方程）；

• 升力（Lift Force）：颗粒在剪切流中受到的横向力，如管道弯头处颗粒因离心力产生的侧向偏移；

• 表面张力效应：气液界面曲率引起的附加压力（Young-Laplace 方程），决定气泡的稳定性与变形能力；

• 湍流调制：颗粒相与流体相的湍流相互作用，可能增强或抑制湍流强度，影响能量耗散。

3.3 数学模型：从简化到精确的建模路径

欧拉 - 拉格朗日模型（离散相模型）：

• 流体相视为连续介质（欧拉法），颗粒相跟踪个体轨迹（拉格朗日法）；

• 适用于低浓度颗粒流，如喷雾冷却中的液滴运动模拟。

欧拉 - 欧拉模型（双流体模型）：

• 各相均视为连续介质，建立独立的守恒方程；

• 适合高浓度多相流，如污水处理中的活性污泥混合液流动。

混合模型（Mixture Model）：

• 假设各相局部速度平衡，简化为单一混合相方程；

• 用于相速度差异较小的场合，如乳化液的管道输送。

4.1 实验研究

4.1.1 实验设计的核心要素

• 透明流道系统：采用石英玻璃或有机玻璃材质，配合激光照明系统，实现流动可视化；

• 高精度测控设备：科里奥利流量计（精度 ±0.1%）、压力变送器（精度 ±0.075%）确保参数精准控制；

• 环境模拟装置：高温炉（模拟锅炉工况）、低温槽（模拟液化天然气输送）拓展实验边界条件。

4.1.2 先进测量技术

1、光学测量家族：

• 激光速度浓度测试仪：基于激光反射原理，通过深入分析光反射信号，能同时获取颗粒的速度和浓度，实现对工艺过程的原位测量，无需中断生产流程。

     

  
  

• 粒子图像测速（PIV）：通过激光照射示踪粒子，利用图像相关算法重构二维 / 三维速度场（图 1）；

• 高速摄影：帧率达 10 万帧 / 秒的相机，捕捉气泡破裂（10⁻³ 秒级）、液滴撞击（10⁻⁶秒级）等瞬态过程；

2、非光学测量技术：

• 电容层析成像（ECT）：依据介电常数差异，通过电容传感器测量电容值变化反映相分布，在气固两相流测量中优势明显。

  

• 热膜探针：测量流体剪切应力与湍流脉动，分辨率达微米级。

4.2 数值模拟

数值模拟通过离散化物理模型与算法设计，实现对复杂流动的定量预测，核心流程包括物理建模、网格生成、方程离散与结果验证。

4.2.1 数值方法体系

1、宏观尺度方法：

• 有限体积法（FVM）：基于控制体积积分守恒方程，广泛用于工程模拟，如管道弯头处的气液分离；

• 有限元法（FEM）：适合不规则几何，如微流控芯片中液滴生成的界面追踪。

2、介观与微观方法：

• 格子玻尔兹曼方法（LBM）：从介观粒子分布函数出发，天然适合多相流界面动态模拟，如液滴撞击固体表面的铺展；

• 离散单元法（DEM）：追踪单个颗粒运动，模拟高浓度固液流，如流化床中颗粒团聚与分散。

3、耦合算法框架：

• 欧拉 - 拉格朗日耦合：流体相场变量与颗粒相轨迹双向交互，如气力输送中颗粒对流体湍流的调制；

• 多物理场耦合：联立求解流动、传热、化学反应方程，如燃料电池中的气液传质与电化学反应。

4.2.2 关键技术挑战

• 多尺度网格策略：采用自适应加密技术，在界面附近（如气泡表面）细化网格（网格尺寸≤气泡直径 1/10），远场粗化以节省计算资源；

• 界面捕捉算法：VOF 法重构大变形界面，Level Set 法处理拓扑变化（如液滴分裂），PLIC 算法提高界面几何精度；

• 非线性方程求解：分离式求解器（如 SIMPLE 算法）处理低马赫数流动，耦合式求解器应对高速可压缩流动。

5.1 能源与化工领域

5.1.1 石油工业全链条渗透

• 钻井工程：液固两相流分析优化泥浆性能，防止井壁坍塌；

• 油气输送：三相流模型预测蜡沉积位置，降低管道堵塞风险；

• 提高采收率：气液渗流理论指导压裂液设计，提升页岩气开采效率。

5.1.2 新能源技术突破

• 氢能储运：液氢输送中的气液两相流稳定性控制，避免 “热分层” 引发的沸腾现象；

• 燃料电池：阴极流道气液管理，防止水淹导致的性能衰减；

• 可再生能源：风力发电机齿轮箱油液中气泡流动分析，降低润滑失效风险。

5.2 环保与安全工程

• 粉尘爆炸防控：气固两相流模拟揭示粉尘浓度 - 湍流强度 - 爆炸极限的关联机制；

• 废水处理优化：活性污泥法中液固混合与氧传递过程建模，提升生化反应效率；

• 大气污染治理：静电除尘器中气溶胶颗粒轨迹计算，优化极板间距与电压配置。

5.3 航空航天与国防

• 火箭发动机设计：燃料喷射过程的气液雾化模拟，保障燃烧稳定性；

• 飞行器防冰技术：机翼表面过冷水滴撞击与结冰过程建模，开发主动防冰系统；

• 潜艇隐身技术：尾流气液混合流动分析，降低声呐探测概率。

5.4 生物医学与食品工程

• 生物反应器优化：微载体与培养液的液固两相流模拟，促进细胞培养的营养传递；

• 血液流动研究：红细胞变形的液固两相流模型，揭示血栓形成的力学机制；

• 食品加工工艺：巧克力搅拌中的固液混合模拟，优化颗粒分散均匀性。

6.1 核心科学难题

• 多尺度耦合瓶颈：从分子间作用力（纳米级）到工业设备（米级）的跨尺度建模，如纳米流体中的界面热输运；

• 强非线性预测：相间作用的随机性（如气泡聚并的混沌特性）导致模型不确定性＞20%；

• 极端环境研究：超高温（核聚变装置，＞10⁸℃）、超高压（深海，＞100MPa）下的多相流实验数据匮乏。

6.2 技术创新方向

6.2.1 智能化研究范式

• AI 驱动建模：深度学习预测相间作用力，如基于 Transformer 的气固曳力系数实时计算；

• 强化学习控制：自动优化化工反应器的多相流操作参数，提升目标产物收率＞15%。

6.2.2 新型测量与制造

• 原位测量技术：光纤传感器集成于流道壁面，实时监测高温高压下的相分布；

• 3D 打印流道：基于多相流模拟结果，定制化设计微通道结构，提升混合效率＞30%。

6.2.3 交叉学科融合

• 生物多相流：模拟呼吸道内雾霾颗粒的气固两相沉积，指导口罩滤材优化；

• 材料 - 流动协同设计：开发超疏水表面调控气液界面行为，降低管道压降＞25%。