多相流體力學

研究同種或異種化學成分物質的固-氣 、液-氣 、固-液或固-液-氣系統共同流動規律的學科。

基本介紹

• 中文名：多相流體力學
• 外文名：fluid dynamics of multiphasesystems
• 隸屬：流體力學

簡介

研究同種或異種化學成分物質的固-氣 、液-氣 、固-液或固-液-氣系統共同流動規律的學科。流體力學的一個

分支。 “相”可指不同的熱力學集態（如固、液、氣等不同物態），也可指同一集態下不同的物理性質或力學狀態（如同一地點不同尺寸和速度或不同材料密度的顆粒或氣泡等）。多相流的流場需用兩組或兩組以上流體力學和熱力學參量（如速度、壓強、溫度、質量和組分濃度等）來描述。只需用兩組參量描述的混合物流動稱兩相流動，常見的有氣-液流動、氣-固流動和液-固流動。

多相流體力學

研究內容

多相流體力學研究的根本出發點是建立多相流模型和基本方程組。在此基礎上分析各相的壓強、速度、溫度、表觀密度和體積分數、氣泡或顆粒尺寸分布、相間相互作用（如氣泡或顆粒的阻力與傳熱傳質）、顆粒湍流擴散、流型、壓力降（兩相流通過管道時引起的壓差）、截面含氣率、流動穩定性、流動的臨界態等。描述多相流體可用不同的模型 。對各相尺寸均較大（與流動的幾何尺寸相比）的體系，可對各相內部分別運用單相流體力學模型寫出各自的基本方程組。若分散相的尺寸不太大，一般用體積平均概念，即認為各相占據同一空間並相互滲透。這種情況下，可採取統一的連續介質模型描述多相流，其中又可分為無相間滑移的單流體模型（這時不同的相只看成是流體的不同組分）和有滑移的多流體模型或雙流體模型。按後一模型，空間各點處每一相可有其各自不同的速度、體積分數和溫度。對顆粒群懸浮體多相流，除上述模型外還有非連續介質的分散群的軌道模型和統計群模型。

研究方法

主要有半經驗物理模型和統觀實驗法，數學模型及數值計算法，局部場的實驗量測法等。 　半經驗物理模型和統觀實驗法 　半經驗物理模型指以實驗觀測為基礎對多相流的流動形態作出半經驗性的簡化假設以便進行簡化分析計算，如假定多相流為一維柱塞流 (plug flow)等。統觀實驗法指只研究外部參量變化規律，例如多相流在管道中的阻力或平均傳熱量與流速間的關係、平均的體積分數等，不研究多相流中各種變數的場分布規律。

流體力學

數學模型和數值計算法 　對多相流基本方程組中各個湍流輸運項、相間相互作用項和源項的物理規律以實驗或公設為基礎提出一定的表達式，使聯立的方程組封閉，能夠求解，這就是建立數學模型。聯立的非線性偏微分方程組只能用數值法，如有限差分方法或有限元法求解。已經制定了二維和三維多相湍流流動計算程式軟體，可以初步用於計算旋風除塵器、煤粉燃燒室和氣化室、液霧燃燒室、反應堆中水-汽系統以及炮膛中氣-固或氣- 液各相中的壓力、速度、溫度、體積分數等的分布。目前，正在研製用於工程中最最佳化設計的軟體。

實驗量測法 　研究多相流的流動、傳熱、傳質以及化學反應等規律時，觀測其流型，測量各相的速度、流量、尺寸、濃度、體積分數或含氣率、溫度分布等十分重要。觀測流型常常用高速攝影、全息照相和電測法等。測量顆粒尺寸分布可用印痕或溶液捕獲法、光學或雷射散射法、雷射全息術、雷射都卜勒法 （LDV法）等。測量流量、速度、濃度、重量含氣率分布等可以用 LDV法、取樣探針、電探針、光導纖維探針、分離器法等。測量平均截面含氣率可用放射性同位素法、γ射線法、分離器法等。

氣-液流動

氣體和液體混合物的兩相流動體系。通常分為單成分兩相流和雙成分兩相流。前者是具有相同化學成分的同質異態兩相流，如水和蒸汽兩相流；後者是具有不同化學成分的異質異態兩相流 ，如水和空氣兩相流 。氣-液流動包括摻有氣泡的液體流動和帶有液滴的氣體流動，如摻氣水流和含霧滴的大氣流動等 。氣-液流動因管道壓力 、流量 、熱負荷、流向、工質物性等的不同，可形成各種不同流型 。豎管中最常見的流型（見圖）有：細小氣泡散布於液相中的氣泡狀流型；管中心為氣彈、壁附近為連續液膜的氣彈狀流型；管中心為夾帶細小液滴的氣核和壁附近為連續液膜的環狀流型；氣相中含細小液滴和壁附近無連續液膜的霧狀流型。不同的流型有不同的流體動力學和傳熱傳質規律。對流型的分析方法，目前工程上套用較多的有均相流模型和分相流模型，前者適用於較均勻的氣泡狀流，後者用於有明顯分界面的層狀流 。氣-液兩相流通過管道引起的壓差稱為壓力降 。在任意通流截面上，氣相在兩相混合物中所占的截面分數稱為空隙率，它是計算重位壓力降和加速壓力降必不可少的參量 。設計中 ，必須計算氣-液兩相流的壓力降以確定所需動力，保證設備安全經濟地運轉。

豎管中常見的氣-液兩相流流型

液-固流動

液體和固體顆粒混合物的兩相流動體系。流動中，固體顆粒在液體和重力作用下 ，可發生懸浮、擴散、遷移和沉積等基本動力過程。按顆粒容積率（顆粒群的容積占多相流總容積 的分 額 ）jp 和液體容積率 jL 的相對大小 ，液-固流動可分為沉積流(jpjL)、滲流（jpjL）和混漿流（jp≈jL） 。沉積流研究的是較低流速下固體顆粒的輸運和堆積問題。滲流研究的是顆粒流態化前流體流經多孔介質的問題。混漿流研究的是泥漿流、煤漿流、紙漿流、纖維懸浮物等的混合物流動問題。在各種物料的水力輸送、地下採油等過程中常遇到這類流動。

氣-固流動

氣體和固體顆粒混合物的兩相流動體系。其基本動力過程和現象與液-固流動相同，只是連續相（氣體）的密度不大。風中沙、雪的運動、粉粒狀物料經管道的氣力輸送，以及固體顆粒的分離、粉狀燃料的燃燒和噴塗等都是氣-固流動的實例。固體燃料火箭發動機、氣-固流化床中則涉及具有更為複雜的物理、化學過程的氣-固流動。

流-固流動

氣-固流動和液-固流動合稱流-固流動 。在這類流動中，通常是微小顆粒（包括固體顆粒、液滴和氣泡）分散於連續介質的流體中，所以常把顆粒相稱為分散相，而把液體相稱為連續相。流體中含有顆粒相後，其粘度、阻力係數、傳熱係數和聲速等與單相流顯著不同，通常可用巨觀的連續介質理論和微觀的分子運動論分析這類問題。顆粒在流體中除了因時均運動產生的軌道效應外，還有因流體湍流脈動而造成的湍流擴散。流體的湍流粘性越高，顆粒越小，則顆粒湍流擴散係數越大，並且越接近於流體的湍流擴散係數。為了改善混合，常要強化湍流擴散。

套用

多相流動廣泛存在於自然界和工程設備中，如含塵埃的大氣和雲霧 、含沙水流 、各種噴霧冷卻 、粉末噴塗、血管流、含固體粉末的火箭尾氣、炮膛內火藥顆粒及其燃燒產物的流動等。就大量工程問題而言，多相流體力學主要套用於粉粒物料的管道輸送、顆粒分離和除塵、液霧和煤粉懸浮體的燃燒和氣化、流化床和流化床燃燒以及鍋爐、反應堆、化工 、冶煉和採油等裝置中的氣-液流動等方面 ，其目的是節省管道輸送能量，提高分離或除塵效率，改善傳熱傳質或燃燒中顆粒混合，改善鍋爐的水循環，提高反應堆冷卻的安全性等。