多相流及其应用-研究生创新教育系列教材
总 序
创新是一个民族的灵魂 , 也是高层次人才水平的集 中体现 # 因此 , 创新能力的培养应贯 穿于研究生培养 的各个环节 , 包括课程学 习、文献 阅读、课题研究等 # 文献阅读与课题研究无疑是培养研究生创新能力的重要手段 , 同样 , 课程学习也是培养研 究生创新能力的重要环节 # 通过课程学 习 , 使研 究生在教师指导下 , 获取知识的同时理解知识创新过程与创新方法 , 对培养研 究生创新能力具有极其重要的意义 #
西安交通大学研究生院围绕研究生创新意识与创新能力改革研 究生课程体系 的 同 时 , 开设 了一批研究型课程 , 支持编写 了一批研究型课程 的教材 , 目的是为了推动在课程教学环节加强研 究生创新意识与创新 能力 的培养 , 进一步提高研究生培养质量 #
研究型课程是指以激发研究生批判性思维、创新意识为主要 目标 , 由具有高学术水平的教授作为任课教师参与指导 , 以本学科领域最新研究和前沿知识为 内容 , 以探索式 的教学方式为主导 , 适合于师生互动 , 使学生有更大 的思维空间的课程 # 研 究型教材应使学生在学习过程中可 以掌握最新的科学知识 , 了解最新的前沿动态 , 激发研究生科学研究 的兴趣 , 掌握基本 的科学方法 ,把教师为中心的教学模式转变为以学生为中心教师为主导 的教学模式 , 把学生被动接受知识转变为在探索研究与自主学习中掌握知识和培养能力 #
出版研究型课程系列教材 , 是一项探索性 的工作 , 有许 多艰苦 的工作 # 虽然已出版的教材凝聚了作者的大量心血 , 但毕竟是一项在实践中不断完善的工作 # 我们深信 , 通过研究型系列教材的 出版与完善 , 必定能够促进研 究生创新能力的培养 #
西安交通大学研究生院
序
多相流是以流体力学、传热传质学和燃烧学等为主要基础发展起来 的一门新兴交叉学科 , 在动力 (包括常规动力和核动力)、能源、化工、石油、航空航天、管路输送以及海水淡化、环保等工程 中得到广泛应用。 西安交通大学早在20 世纪 60 年代就开展了多相流研究工作 。 自上世纪 80 年代末在校 内建成动力工程多相流国家重 点实验室后 , 多相流研 究工作取得了更迅速的发展 。 不仅培育了一批高层次人才 , 而且取得了不少有国际前沿水平的研 究成果 , 为我国经济建设和社会发展贡献了力量。
为了进一步培养研究生 的创新意识和创新 能力 , 西安交通大学 能源与动力工程学 院在 1994 年就开设 了一系列具有创新意义 的博士生课程 以期拓 宽博士生的知识领域和创新 能力,“多相流及其进展”即是其中一 门深受研究生欢迎的课程 。这门课程在十多年教学积累 的基础上 , 由车得福、李会雄两位教授扩展成书是一件有利于创新教学的可喜之事。
该书的特点首先体现在不是按照多相流的不同组分分别论述 , 而是按 照流动方式分章 , 亦即在同一章中对类 同流动方式的各种多相流统一叙述。 这样有便于读者进行对 比、思考各种 多相流 的异 同 , 触类旁通 , 达到融会贯通 的目的 ; 其特点之二为不仅论述了国内外研究成果而且紧密结合本校研究成果综合写成 , 故而具有内容的独特性和创新意义 ; 其特点之三为该书不是从纯理论上来论述多相流而是结合工程应用主业叙述各种现实多相流问题 的理论研究、试验成果和解决方法。
该书前 3 章论述了多相流 的基本概念、主要参数、基本方法和力学分析 ;第 4 章到第 7 章论述了多相流在各种流动工况下的特性及研究成果 ; 第 8 章介绍了多相流的数值模拟 ; 第 9 章介绍 了一些新发展 的多相流专题 。 全书具有较好的系统性和完整性。
该书内容丰富 , 每章后均列出众多参考文献 。 这样 既可供教师按需选择相关章节讲授现有成果 , 再补充最新进展形成讲稿 ; 也可供研究生及其他读者对相关内容进行参考和跟踪 , 进一步深入学习。
我们祖国现在正在向建设创新型国家前进 # 培养创新型人才更是建立创新型国家的重要支柱 # 相信本书的出版必定会促进和加强创新型高层次人才的培养 #
在本书出版之际 , 我欣然为之作序 #
西安交通大学教授
林宗虎中 国 工 程 院 院 士
2006 年 2 月
前 言
多相流是在流体力学、传热传质学、物理化学、燃烧学等学科的基础上发展起来的一门新兴学科 , 它广泛应用于能源、动力、核能、石油、化工、冶金、制冷、低温、环境保护及航天技术等许多工业部 门 , 对 国 民经济 的发展有十分重要 的作用。尽管多相流形成一门独立学科的时间不长 , 但由于它具有非常强的工业应用背景 , 发展速度很快。各工业发达国家都投入了巨大的经费展开研究。 我国自 20 世纪 50 年代开始也陆续进行研究 , 改革开放后的二十几年中 , 研究工作异常活跃 , 取得丰硕成果。各高等院校陆续开设了有关多相流内容的课程。
西安交通大学是国内最早开展有关多相流研究工作 的重 点大学之一 。 几十年来 , 在 中科 院 院士 陈学俊教授、中 国工程 院 院士林宗虎教授、国家级有突出贡献的专家陈听宽教授、徐通模教授等 的带领下 , 许多研究工作处于 国 内领先地位 , 在国际上也有重要影 响 。 西安交通大学能源与动力工程学院是开展多相流研究工作最为集 中 的学 院 。 1994 年学 院成立 时 , 在林宗虎 院士 的提议下 , 由我们两位面向全院博士研究生开设 院级学位课程“ 多相流及其进展”,并由林宗虎院士拟就 了授课大纲 的初稿 , 并 由他于 1995~1996 学年亲 自讲授。 1996 年春我从美国进修回校至今 , 这门课程一直由我讲授 , 每年选课人数均有20 余位 。在教学工作中 , 我深深地体会到 , 一方面 , 多相流这 门学科涉及 的领域非常广 , 许多出版物中都会发现有关多相流 的 内容 。 另一方面 , 多相流这 门学科的发展异常迅速 , 文献浩如烟海 , 新理论、新方法不断引入。 涉足这一研究领域的学者跟踪阅读全部文献是不现实的 , 也是没有意义的。
对博士研究生来说 , 除要求掌握坚实而宽广 的基础理论 , 还要求掌握系统而深入的专门知识 。 对从事与多相流有关 的研究工作的博士研究生 , 不仅 需要对与自己的研究课题直接相关的研 究进展有深入的 了解和掌握 , 而且还 需要对相邻、相近研究领域的进展有所了解和掌握 , 这对博士生的研 究工作将大有裨益 。我在课堂上总是强调 , 如果通过本门课程的学习 , 能够对研 究生们 的研究工作有一点启迪 , 与研究生们正在思考的问题撞击出一个智慧 的火花 , 设立本门课程的目的就达到了。
尽管我也认为 , 博士生课程不必或不应有专 门教材 , 因为教材不可能反 映出研究工作的最新进展 , 教材的撰写总是落后于科学技术 的发展。 但是 , 在博士生课程的讲授过程中 , 博士生手中若能有一本与讲课内容非常相近的参考书 , 在课前、课后能经常翻 阅 , 无疑对 内容 的理解和掌握 以及文献 的追踪是非常有益处的 , 而不必在课堂上忙于记笔记 。 况且 , 教师没有必要将全部 内容不加选择地讲授 , 而是应在课堂上重点介绍有启发性的内容。
基于上述考虑 , 在博士生课程“ 多相流及其进展”讲义 的基础上并重 点结合西安交通大学的研究兴趣及研究成果写就 了本书 。讲义 中许多 内容 曾与博士生们进行过讨论 。 这些讨论包括本门课程应涵盖的内容范围、深度及体系等 , 并且许多博士生希望能将讲课内容成书 出版 , 所有这些都使我受到莫大 的激励 。其中值得提及是刘银河、闫 晓、蒋立军、王 国梁、唐人虎、张旭 东、杨靖、吴海玲等博士研究生 , 书中有些内容引自他们的作业 内容或受到他们作业 内容的启发 。在此对他们表示感谢。
虽然多相流可以简单地划分为气液、气 固、液 固和液液两相流及气液固、液液固、气液液三相流等 , 但本书却没有按这样的分类方法进行编排。 本书是按照流动方式进行编排的 , 这样做的目的是使学过任何一种两相流 的读者 , 能对其它的多相流问题进行对比 , 达到融会贯通 的 目 的 , 不致于将各种两相流动相互割裂开来而各自成为孤立的封闭体系。
本书第 1 章~第 7 章及第 9 章 由车得福编写 , 第 8 章邀请李会雄教授编写 。本书除可作为高等学校开设有关多相流课程的教材或教学参考书外 , 也可作为涉及多相流研究的科技人员的参考资料。
值得指出的是 , 由于本书内容庞大 , 公式和符号较多 , 尽管作者作了努力 , 但符号、单位和术语的统一性仍不能令人满意 , 敬请读者包涵。对书中所引用的参考文献 , 作者尽最大可能注明出处 , 并同时对这些文献的作者表示衷心的感谢。
廿多年前 , 我的老师 , 中国工程院院士林宗虎教授把我带入 多相流这一令人兴奋并极具挑战性的研 究领域 , 老师 的科学思想和处世哲学一直伴随着我的成长 。本书初稿完成后 , 林宗虎 院 士进行 了 审 阅 , 提 出了指导性的修改意见 , 并欣然为本书作了序 , 对此作者表示深深的谢意。
由于作者学识有限 , 编写这样 的大型著作 , 不论从 内容 的取舍 , 还是 到 内容的编排 , 总有力不从心之感 。在本书即将 问世之时 , 每每想到尽管编写过程中我们竭尽了全力 , 书中的缺点和错误还总难避免 , 心里总是忐忑不安 。 读者是最好的裁判 , 我们热切地期待着来自各方的批评和指正。
西 安 交 通 大 学热能工程系教授、工学博士
车得福
2006 年 12 月于能源馆dfche@mail. xj tu. edu. cn
第 1 章 概论
1 . 1 多相流的定义及分类
1.1.1 多相流的定义
物理学中 , 所谓的“相”是指自然界中物质的态 , 例如气态、液态、固态等。 一种物态即称为一相 ; 热力学 中 , 物体 中每一个均匀部分称为一相 。 各部分均匀 的 固体、液体和气体可分别称为固相物体、液相物体和气相物体或统称为单相物体 ; 但在流体动力学中 , 动力学性质相近的一群物体就可 以称为一相 。 一种物态可能是单相的 , 也可能是多相的 。例如 , 不同种类、不同尺寸、不同形状的固体颗粒在流体中运动时 , 可以视具体情况把固体分为许多相 。 因此 , 流体动力学中讨论的“相”会比物理学或热力学中的“相”具有更广泛的意义。
各部分均匀的气体或液体的流动可称为单相流体的流动或简称为单相流。
当物体各部分之间存在差别时 , 这一物体称为多相物体 。例如 , 气体和液体的混合物、气体和固体的混合物以及液体和 固体 的混合物等。 多相物体 的流动就称为多相流动 , 简称多相流 。值得指出的是 , 此处“ 多”意指两相及两相 以上 的流动 ,而不是习惯中“ 多”就代表三及大于三 的意思 。 在英文 中 , 多相流称为 Multiphase Flow。 在日文中常称之为“ 混相流(乙人飞òŋ⑦ò)”。
固体不能与气体或液体混合均匀而成为单相流 。 因此 , 固体颗粒和气体或液体的混合流动一般为多相流 。 不同液体 的混合流动可能是单相流 , 也可能是 多相流 。如水与酒精的混合物是单相流体 , 而水与水银 的混合物则为两相流体 。 不 同气体混合时总是成为一种新的单相流体。
1.1.2 多相流的分类
最常用的多相流的分类方法是根据参与流动的相的数目来分类 , 如两相流、三相流和四相流等 , 其中尤以两相流最为常见 。两相流主要有三种 : 气体和液体一起流动的称为气液两相流 ; 气体和固体颗粒一起流动的称为气固两相流 ; 液体和固体颗粒一起流动的称为液固两相流 ; 两种不能均匀混合 的液体一起流动 的称为液液两相流 。三相流主要有三种:气体、液体和 固体颗粒一起流动的称为气液固三相流 ; 两种不能均匀混合的液体和固体颗粒一起流动的称为液液固三相流 ; 两种不能均匀混合的液体与气体一起流动的气液液三相流 。 也可以存在气体和多种不能均匀混合液体以及固体颗粒一起流动的工况 , 如气油水砂的共同流动 , 可以命名这种流动为四相流(林宗虎 , 1988)。 需要指出的是 , 本书中气液两相流一词中的“气”泛指气体 , 而汽液两相流一词中的“汽”仅代表同种液体产生的蒸气。
通常情况下 , 多相流动体系总是由两种连续介质或一种连续介质和若干种不连续介质组成 。连续介质称为连续相 , 不连续介质 (如 固体颗粒、水泡、液滴等)称为分散相(或非连续相)。 根据流动介质的连续与否 , 可以把多相流动分为两类:连续相中含有分散相的均匀或不均匀的混合物的流动 , 普通多相流动多指这类流动 ;相交界面相互作用起着重要作用的流动 , 此时两相介质是均匀的 , 但必须考虑相界面的力学关系。
对于气液两相流来说 , 还可以根据气液两相 的组分而分为单组分气液两相流和双组分气液两相流 。例如 , 水蒸气和水的组分是相同的 , 所以汽水混合物的流动属于单组分气液两相流 ; 空气和水的组分是不同的 , 所以空气和水混合物的流动属于双组分气液两相流 。单组分气液两相流在流动时根据压力变化的不同会发生相变 , 即部分液体能汽化为蒸汽或部分蒸汽凝结为液体 ; 双组分气液两相流则一般在流动时不会发生相变。
就两相流而言 , 两相可以是在同一个方向上流动的“ 同向流动”,也可能是两相在相反方向上的流动 , 即“反向流动”。还有一种情况就是介乎两种流动之 间 的流动 , 如气液两相流中液相的平均速度为零 , 或者液相的平均速度与气相速度相垂直的流动 。 当气相以分散的气泡穿过液层时 , 这种流动称为浮泡过程 。 另外一种液相速度为零而气相向上的流动是在环状流动状况产生的所谓“ 液泛”的流动工况。
多相物体的流动现象广泛存在于自然界、日常生活及工程实际中 。可以认为 ,绝大多数的流动都是多相流 , 纯粹的单相流 (如极纯净 的气体或水等) 是极为少见的 。 自然界中诸如大气中云雾、含尘空气、雨雪、冰雹、含泥沙水流、雪崩、滑坡、生物体内血液的运动 , 日常生活中开瓶后啤酒中气泡的运动、水烧开时水壶中汽泡的运动 , 工业中粉料或粒料的气力或液力管道输送、粉尘 的分离与收集、喷雾干燥与喷雾冷却、选矿、气流纺纱、液雾或煤粉或金属粉的燃烧、流化床、固体火箭排气、炮膛中火药粒流动、材料喷涂、等离子体化工、各种粉末制备、蒸汽轮机 内湿蒸汽流动、烟气透平内含尘流、锅炉及反应堆内汽水流动、炼钢或炼铁炉内气泡 液体流动等等都是多相流的例子(周力行 , 1991)。
1 . 2 多相流的特点 、研究方法
1.2.1 多相流的特点
多相流与单相流相比具有许多特点,表现在 :
(1) 多相流中含有多种不相溶混 的相,它们各 自具有一组流动变量。 即使两相流,也可划分为气液、气固、液液、液 固 四种。 因此,描述多相流 的参数要 比描述单相流的参数多。
(2) 多相流中各相的体积百分数以及分散相的颗粒大小可以在很宽的范围内变化,这些都会引起流动性质及流动结构 的很大变化。 例如 , 用管道输送的固体物料可分为稀相和密相输送,而这两种输送方式 的分析方法有很大不 同。 多相流的流动结构通常也称为流型。
(3) 多相流中,各相间相对速度不同也会 引起流动状况的很大改变,例如 , 气固流化床中气流速度对流动结构乃至生产的影响都是很大的。
(4) 各相的物理性质(密度、粘度等)及两相 间界面 的表面现象都是影响多相流动的重要因素 。例如,石油及选矿使用表面活性剂可以提高生产效率。
(5) 各相的性质、含量及流动参数决定了流动型态,不同的流型可用不同的方法来处理。
(6) 两相之间常存在水力学不平衡和热力学不平衡 。 不平衡性表现在相之间的速度差异和温度差异,这种差异正是导致相 间发生相互作用 的原 因。 随着 时 间的推移,这种差异有逐渐减弱的趋势。 这种现象称为松弛。
(7) 相间常存在传热和传质及化学反应 。 例如流体与管壁 的温度不 同 (换热器中),或温度不同的冷气与热气,冷水与热水发生混合,都会发生热传递。 有时流体或气体中还有化学反应发生,反应有放热或吸热效应,如在化工反应器中的化学反应,排放含有污染物的水以及燃烧器,燃烧室及炉内的流动等。 如发生化学反应常涉及到化学反应动力学、非平衡态热力学及非线性等。
(8) 对于气液两相流,除 由于相界面存在,通过界面可能发生热量、质量和动量的传递,界面的形状还会随时发生变化。 不 同程度 的相 的聚并可能发生,如,小气泡并成大气泡,或小液滴并成大液滴。
(9) 多相流多为湍流,层流很少见。 在湍流两相流中,除各相内部的动量、热量与质量传递外,还有相与相之间(如流体与颗粒或流体与气泡之间) 的质量、动量及能量相互作用,而且除流体内部反应外,颗粒与流体,气泡与流体间还可能有异相反应。湍流两相流中有时还会有静电效应(极细粉尘在金属、塑料或有机玻璃管道中运动)或电磁效应(电弧或高频等离子体发生器中或磁流体发电机中含粉尘的两相流)。
(10) 一般为三维流动 。 由于工程装置几何形状的复杂性,纯粹的平面二维或轴对称流动是少见的 。例如柱形燃烧室或柱加锥形旋风 除尘器 , 由于有二次风孔或切向进风口等,流动都是三维的。 在实 际装置 中 , 由于工程 的 需要,往往流动在各个方面都是不对称的 。 因此我们研究的实际对象往往是三维湍流两相流。
(11) 严格求解几乎不可能。 由工程装置中湍流两相流的特点不难看到,要得到严格的设计计算方法,靠经典的解析方法是很困难的或几乎是不可能的。 只有用近代计算流体力学和大型数字计算机为基础的数值模拟理论及方法,亦即建立各种复杂条件下的基本守恒方程组,加以封闭,并不加简化地直接用数值方法求解这些非线性偏微分方程组,才能得以实现。 自 20 世纪 60年代末至今的几十年内,确实已成功地发展了这种理论和方法, 目前已开始分阶段用于工程设计中,并有可能对极为复杂的情况,例如大型锅炉炉内三维湍流的两相流动,得到与实验大致相符的模拟结果。
总之,参数多、相间存在变动界面以及非平衡效应的存在使得多相流问题的处理变得更加困难和复杂。
1.2.2 多相流的研究方法和理论模型
理论上来讲,流体力学的基本方程是可以用于多相流的。 但是,在多相流中,一般应对各相列出各自的守恒方程,而且还要考虑两相间的相互作用,因此,描述多相流的方程组要比单相流的复杂得多。对多相流的分析和研究要比单相流复杂和困难得多。目前,分析多相流的方法大多是单相流中已被充分使用过的那些方法的延伸。
研究多相流动的方法大致有以下几种 :
(1)经验关系式法
根据实验数据建立经验关系式是工程设计中常用的方法 。这种方法就是将工业性试验结果、半工业性试验结果或实验室的实验结果整理成经验关系式或图表。这种方法的优点是计算往往比较简便、快捷,也可能相当精确。 缺点是局限较大,只能用于规定的范围,不能外推,只有在设计对象与获得关系式的条件相同时,才会获得良好结果。例如,气液两相沸腾传热中的某些干涸(dryout)关系式,外推预测得到的干涸流量可能比管道中液体全部蒸发量还大。 经验关系式法并不揭露问题的物理本质,无法赖以获得改善设计的方向。 尽管如此 , 由于多相流动的复杂性以及该学科的目前发展实际情况,许多工程设计还必须求助于经验关系式。 例如,在气液两相流中应用本方法获得的 Martinelli关系式至今仍在工程设计中广泛使用。
运用这种方法的步骤是:收集试验或现场中的数据 ; 对系统变量建立任意或半任意的相关方程 ; 使用任意常数或任意函数使方程能够拟合实际数据 ; 根据所获得的方程去预测其它情况。
(2)分析方法
分析方法试图从基本原理出发推导多相流控制方程 , 主要步骤是:对每相和界面条件建立局部瞬时方程 ; 用平均方法得到瞬时空间平均方程、局部时间平均方程和时间空间平均方程 ; 把平均方程简化到要求的程度(如含有相间相互作用项的多流体方程), 以此来求解实际问题。
分析方法较严密 , 所得关系式更有普遍性 。借助于现代计算技术 , 无疑是一个行之有效的方法 。但对所得的平均方程如不作某些简化 , 没有谁能轻而 易举地将其加以运用 。 并且上述这组平均方程还不是封 闭 的 , 要想对其求解 (例如 , 预测相含量和压力变化等参数),还需要知道一些相关关系(如壁面及界面 的剪切力和质量、能量的传递项等)才能实现 。 显然 , 只有 当这些相关关系有一定 的物理基础或有更大的普遍性时 , 分析方法才能给出比经验方法更好的结果。
(3)唯象方法
唯象方法试图从物理上透彻地 了解存在 的现象 , 并据此建立模型 。 其主要步骤是:按相界面分布方式确定流型 ; 详细地观察现象 , 并运用相应 的测量手段建立理论或半理论的物理模型来描述局部现象 ; 综合局部模 型 , 得到对整体系统 的描述 ; 运用整体模型进行预测、设计。
这种方法的主要优点是能在物理上深刻地 了解现象 , 描述 的真实性得到 了改善 , 为把所建立模型外延到不同系统开辟 了较好 的途径 。 但模型 的正确选择取决于对物理本质的深刻认识 , 而这种认识却难 以用规格化 的方式表达 , 在常规设计中 , 也往往显得过分地依赖于实验数据 。 唯象方法在许多方面取得了成功 , 典型的有 Taitel& Dukler关于管内气液两相流流型的工作。
唯象方法的实质是一种半经验、半理论的方法。
例如 , 在管内气液两相流中 , 首先将三维流动简化为一维流动 , 即假定每个相的流动情况仅沿着流向发生变化。尽管这一简化会带来近似 , 但它既便于计算分析 , 又具有合理的准确性。一维流动的基本假设是:流动是稳定的 ; 在垂直于流动方向的给定平面上 , 各相都有一个速度的平均值和密度的平均值 ; 垂直于通道轴线的任一平面上的压力都是均匀的 , 液相和气相占有的面积的总和等于通道的横截面积。
在一维流动的基础上, 为研究方便起见, 根据流动现象, 通常有以下几种主要的简化模型。① 均相流动模型。均相流动模型就是把气液两相混合物看作是一种均匀介质, 其流动参数取两相相应参数的平均值。在此基础上, 可将两相流动当作具有平均流体特性的单相流来对待。均相模型是一种最简单的分析模型 , 常称为“摩擦因子”模型或“雾状流”模型。其基本思想是:通过合适地定义两相混合物的平均参数值 , 把两相流当作具有这种平均特性并遵循单相流体基本方程的“赝流体”。这样, 一旦确定了两相混合物的平均特性, 便可应用所有的一般流体力学方法进行研究 , 这一模型实际上是单相流体力学的直接延拓。均相流模型还采用了两个基本假设 : a. 两相间处于热力学平衡,即两相具有相同的温度并且都处于饱和状态;b. 气液两相的流速相等,即为均匀流。我们知道,气液两相的流速并不相等,只有在高含气量(大量气体中含有少数液滴)或者是很小含气量 (大量液体中仅含有少量气泡)时两相流速才相等。 因此,这一模型实际上只适用于泡状流和雾状流 (尤其是在高速和高压下的泡状和雾状流)。 所以,确定合适的混合物平均特性是均相模型的关键。关于均相模型的详细内容见第 4 章。②分相流动模型。分相流动模型是把气液两相分别作单相流处理,进而考虑两相间的相互作用。它的基本假设是,a. 相之间保持热力学平衡;b. 气相和液相的速度是常量,但不一定相等,即假定气液两相都以一定的平均速度在流道中流动。 显然分相流动模型必须考虑两相间的相互作用,因此比均相流动模型复杂。 当两相平均流速相等时,即为均相流动模型,因此均相流动模型可看作是分相流动模型的一个特例。 ③ 漂移流动模型。这一模型是在热力学平衡的假设下,建立在两相平均速度场基础上的一种模型。漂移流动模型提出了一个漂移速度。随着两相流以某一混合速度流动时,气相向前(在向上流中)或向后(在向下流中)相对于这个混合速度有一个漂移速度。为了保持流动的连续性,对于液体则有一个反向的漂移速度。 漂移流动模型具有较大的普遍性,在某些场合下使用这个模型的效果相当好。
经验方法、分析方法和唯象方法是研 究多相流 的基本方法。 经验方法有局 限性,误差较大,从发展的眼光来看,它必将被逐步淘汰。 但它在工程上使用简单、方便,加上其它方法有待发展,所以还会继续得到使用。 分析方法很严密,但纯粹 的分析方法适用性很小 。通过对物理现象的透彻理解,并用简单的模式去描述,唯象方法取得了较好的结果 。分析方法和唯象方法的结合,构成一种特殊分析方法,受到了人们的普遍重视 。利用从分析方法发展 的理论体系来说 明唯象模式,并沟通各模式间的关系 。而利用唯象方法获得一些相关关系,使得分析方法有更丰 富而可靠的实验基础,更具普遍性。
两相流的基础理论依然是详细描述每一相运动的经典流体力学方程。 可惜从基本方程(如 Navier_stokes方程) 出发,通过严格 的数学推导来解决两相流 问题,统计所有的研究例子,是毫无希望的工作(马根娣,孙鸿元,1986)。 因此,发展多种多样的理论分析模型是必然的。
研究两相或多相流有两种不同的观 点: 一种是 只把流体作为连续介质而把颗粒(这里的颗粒泛指气泡、固体粒子等,下同)群作为离散体系,探讨颗粒动力学,颗粒轨道等 ; 另一种是除流体作为连续介质外把颗粒群当作拟连续介质或拟流体 ,假设其在空间中有连续的速度和温度分布及等价的输运性质 (粘性、扩散、导热等)。
总结已有的研究成果 , 目前在多相流 中应用 的理论模型主要有:单流体模型 ;双流体模型 ; 分散颗粒群轨迹模型等。
对单相的连续介质来讲,基本的 出发方程 已经规范化。 对各种特定领域 的求解方程,将适应不同领域的问题特征,提 出不 同 的流动模型,从而导得不 同 的求解方程 。 多相流的出发方程与求解方程,也有这种一般与个别 的关系。 但是 由于其整个介质具有两相或更多,根据不同情况和不同的问题特征,这两相或多相可以看作是统一混合物的连续介质 ,也可把两相分别看作是连续介质,也可看作一相是连续介质,其他是离散介质。 基于这种区别,针对多相流,可提 出三种不 同 的基本模型及相应的三组不同的基本出发方程。
将多相流视为单一混合物的连续介质来处理,通常称之为单流体模型。
把多相流中的各相都分别考虑(想象)成连续介质 , 同 时充满整个流场 。 这样
一来 , 即使在时刻 t。 ,流场的 工。 处 k 相不存在 , 但是在 工。 处 k相的分密度(即平均密度) @k (工。, t) 也可能不为零 。这种模型通常称为多流体模型 。 若研究的对象为两相流,则该模型通常称为双流体模型。 多流体模型的数学描述及处理方法,显然采用欧拉方法。
而对把流体相视作连续介质,把颗粒相视作离散介质处理,通常称之为分散颗粒群轨迹模型,其数学描述和处理方法,对颗粒相来讲,均是通过对施加在单个颗粒上各种力的分析,得到颗粒在气流中的轨迹和其它参量,显然用的是所谓拉格朗日方法。
这三种基本模型的使用效果与具体的研究对象有关 ,不能简单评价孰优孰劣。在选择模型时,除了考虑具体研究对象 的特 点、所要求解 的 问题外,还必须考虑所选用模型的可行性。
目前最活跃的是多流体模型,它对不少实际问题(特别是那些有很确定的流型的问题) 的描述是有潜力 的,也许在这方面会有更大 的成功,特别是对三维 问题。因为现代计算技术使我们有可能去处理所有 的联立方程 。 当然,理论分析 需要有实验支持 。 因而实验方法必须得以发展。
早期的研究内容多半是研究已知流场 中颗粒 的受力及运动 ,忽略颗粒对流场的作用 。近代两相或多相流体力学特 点之一就是全面考察相 间质量、动量与能量的相互作用 。早期的研究方法局限于运用经典流体力学中解析研究法 (相似解、摄动法等)及实验中探针测量法 。近年来则 引入 了大型计算机数值模拟及激光量测的研究方法,使人们对实际装置内两相或多相流规律有了更确切、更深入的认识。
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