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1、兩相流的概念及類(lèi)型兩相物質(zhì)(至少一相為流體)所組成的流動(dòng) 系統(tǒng)。若流動(dòng)系統(tǒng)中物質(zhì)的相態(tài)多于兩個(gè),則稱(chēng)為多相流,兩相或多 相流是化工生產(chǎn)中為完成相際傳質(zhì)和反應(yīng)過(guò)程所涉及的最普遍的粘 性流體流動(dòng)。通常根據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)的相態(tài)分為氣液系、液液系、液 固系、氣固系等。氣相和液相可以以連續(xù)相形式出現(xiàn),如氣體-液膜系統(tǒng);也可以以離散的形式出現(xiàn),如氣泡-液體系統(tǒng),液滴-液體系統(tǒng)。固相通常以顆?;驁F(tuán)塊的形式處于兩相流中。兩相流的流動(dòng)形態(tài)有多種。除了同單相流動(dòng)那樣區(qū)分為層 流和湍流外,還可以依據(jù)兩相相對(duì)含量(常稱(chēng)為相比)、相界面的分布特性、運(yùn)動(dòng)速度、流場(chǎng)幾何條件(管內(nèi)、多孔板上、沿壁面 等)劃分流動(dòng)形態(tài)。對(duì)于管內(nèi)氣液

2、系統(tǒng),隨兩相速度的變化,可 產(chǎn)生氣泡流、塞狀流、層狀流、波狀流、沖擊流、環(huán)狀流、霧狀 流等形態(tài);對(duì)于多孔板上氣液系可以產(chǎn)生自由分散的氣泡、蜂窩 狀泡沫、活動(dòng)泡沫、噴霧等形態(tài)。兩相流研究的一個(gè)基本課題是判斷流動(dòng)形態(tài)及其相互轉(zhuǎn)變。流動(dòng)形態(tài)不同,則熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的機(jī)理和影響因素也不同。 例如多孔板上氣液兩相處于鼓泡狀態(tài)時(shí),正系統(tǒng)混合物(濃度增 加時(shí)表面張力減低)的板效率(見(jiàn)級(jí)效率)高于負(fù)系統(tǒng)混合物(濃度增加時(shí)表面張力增加);而噴射狀態(tài)下恰好相反。兩相流研究的 另一個(gè)基本課題,是關(guān)于分散相在連續(xù)相中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對(duì)傳 遞和反應(yīng)過(guò)程的影響。當(dāng)分散相液滴或氣泡時(shí),有很多特點(diǎn)。例 如液滴和氣泡在運(yùn)動(dòng)中會(huì)

3、變形,在液滴或氣泡內(nèi)出現(xiàn)環(huán)流,界面 上有波動(dòng),表面張力梯度會(huì)造成復(fù)雜的表面運(yùn)動(dòng)等。這些都會(huì)影 響傳質(zhì)通量,進(jìn)而影響設(shè)備的性能。兩相流研究的課題,還有兩 相流系統(tǒng)的摩擦阻力,系統(tǒng)的振蕩和穩(wěn)定性等。兩相流研究模型 兩相流的理論分析比單相流困難得多,描述 兩相流的通用微分方程組至今尚未建立。大量理論工作采用的是 兩類(lèi)簡(jiǎn)化模型:均相模型。將兩相介質(zhì)看成是一種混合得非常 均勻的混合物,假定處理單相流動(dòng)的概念和方法仍然適用于兩相 流,但須對(duì)它的物理性質(zhì)及傳遞性質(zhì)作合理的假定;分相模型認(rèn)為單相流的概念和方法可分別用于兩相系統(tǒng)的各個(gè)相,同時(shí)考 慮兩相之間的相互作用。兩種模型的應(yīng)用都還存在不少困難,但 在計(jì)算技

4、術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下頗有進(jìn)展。氣體和液體混合物的兩相流動(dòng)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(xué)成分的同質(zhì)異態(tài)兩相流,如水和蒸汽兩相流;后者是具有不同化學(xué)成分的異質(zhì)異態(tài)兩相流,如水和空氣兩相流。氣-液流動(dòng)包括摻有氣泡的液體流動(dòng)和帶有液滴的氣體流動(dòng),如摻氣水流和含霧滴的大氣流動(dòng)等。氣-液流動(dòng)因管道壓力 、流量、熱負(fù)荷、流向、工質(zhì)物性等的不同,可形成各種不同流型。豎管中最常見(jiàn)的流型(見(jiàn)圖)有:細(xì)小氣泡散布于液相中的氣泡狀流型;管中心為氣彈、壁附近為連續(xù)液膜的氣彈狀流型;管中心為夾帶細(xì)小液滴的氣核和壁附近為連續(xù) 液膜的環(huán)狀流型;氣相中含細(xì)小液滴和壁附近無(wú)連續(xù)液膜的霧狀流型。不同的流型有

5、不同的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱傳質(zhì)規(guī)律。對(duì)流型 的分析方法,目前工程上應(yīng)用較多的有均相流模型和分相流模型, 前者適用于較均勻的氣泡狀流,后者用于有明顯分界面的層狀流。氣-液兩相流通過(guò)管道引起的壓差稱(chēng)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?jǐn)?shù)稱(chēng)為空隙率,它是計(jì)算重位壓力降和加速壓力降必不可少的參量。設(shè)計(jì)中,必須計(jì)算氣-液兩相流的壓力降以確定所需動(dòng)力,保證設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)轉(zhuǎn)。*好東西*兩相流:通常把含有大量固體或液體顆粒的氣體或液體流動(dòng) 稱(chēng)為兩相流;其中含有多種尺寸組顆粒群為一個(gè)“相”,氣體或液體為另一 “相”,由此就有氣一液,氣一固,液一固等兩相流之分。兩相流的研究:對(duì)兩相流的研究有兩

6、種不同的觀點(diǎn):一是把流體作為連續(xù)介質(zhì),而把顆粒群作為離散體系;而另一是除了把 流體作為連續(xù)介質(zhì)外,還把顆粒群當(dāng)作擬連續(xù)介質(zhì)或擬流體。引入兩種坐標(biāo)系:即拉格朗日坐標(biāo)和歐拉坐標(biāo),以變形前的初始坐標(biāo)為自變量稱(chēng)為拉格朗日Langrangian坐標(biāo)或物質(zhì)坐標(biāo);以變形后瞬時(shí)坐標(biāo)為自變量稱(chēng)為歐拉Eulerian坐標(biāo)或空間坐標(biāo)。離散相模型(DPM )FLUENT在求解連續(xù)相的輸運(yùn)方程的同時(shí),在拉格朗日坐標(biāo)下模擬流場(chǎng)中離散相的第二相;離散相模型解決的問(wèn)題:煤粉燃燒、顆粒分離、噴霧干燥、液體燃料的燃燒等;應(yīng)用范圍:FLUENT中的離散相模型假定第二相體積分?jǐn)?shù)一 般說(shuō)來(lái)要小于 10-12% (但顆粒質(zhì)量承載率可以大

7、于10-12%,即可模擬離散相質(zhì)量流率等 /大于連續(xù)相的流動(dòng));不適用于模擬在 連續(xù)相中無(wú)限期懸浮的顆粒流問(wèn)題,包括:攪拌釜、流化床等;顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)相的影響未考慮;湍流中顆粒處理的兩種模型:Stochastic Tracking ,應(yīng)用隨機(jī)方法來(lái)考慮瞬時(shí)湍流速度對(duì)顆粒軌道的影響;Cloud Tracking ,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴(kuò)散。通過(guò)計(jì)算 顆粒的系統(tǒng)平均運(yùn)動(dòng)方程得到顆粒的某個(gè)“平均軌道” 多相流模型FLUENT中提供的模型:VOF 模型(Volume of Fluid Model) 混合模型(Mixture Model) 歐拉模型(

8、Eulerian Model)VOF 模型(Volume of Fluid Model)VOF模型用來(lái)處理沒(méi)有相互穿插的多相流問(wèn)題,在處理兩相 流中,假設(shè)計(jì)算的每個(gè)控制容積中第一相的體積含量為0c 1,如果 % 1=0,表示該控制容積中不含第一相,如果 1 = 1 ,則表示該控 制容積中只含有第一相,如果0<% 1<1 ,表示該控制容積中有兩相交界面;VOF方法是用體積率函數(shù)表示流體自由面的位置和流體所占的體積,其方法占內(nèi)存小,是一種簡(jiǎn)單而有效的方法?;旌夏P?Mixture Model)用混合特性參數(shù)描述的兩相流場(chǎng)的場(chǎng)方程組稱(chēng)為混合模型;考慮了界面?zhèn)鬟f特性以及兩相間的擴(kuò)散作用和脈

9、動(dòng)作用;使用了滑移速度的概念,允許相以不同的速度運(yùn)動(dòng);用于模擬各相有不同速度的多相流;也用于模擬有強(qiáng)烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運(yùn)動(dòng)的多相流;缺點(diǎn):界面特性包括不全,擴(kuò)散和脈動(dòng)特性難于處理。歐拉模型(Eulerian Model)歐拉模型指的是歐拉一歐拉模型;把顆粒和氣體看成兩種流體,空間各點(diǎn)都有這兩種流體各自不同的速度、溫度和密度,這些流體其存在在同一空間并相互滲透,但各有不同的體積分?jǐn)?shù),相互間有滑移;顆粒群與氣體有相互作用,并且顆粒與顆粒之間相互作用,顆粒群紊流輸運(yùn)取決于與氣相間的相互作用而不是顆粒間的相互作用;各顆粒相在空間中有連續(xù)的速度、溫度及體積分?jǐn)?shù)分布。幾種多相流模型的選

10、擇VOF模型適合于分層流動(dòng)或自由表面流;Mixture和Eulerian模型適合于流動(dòng)中有混合或分離,或者離散相的體積份額超過(guò)10%- 12%的情況。Mixture模型和Eulerian模型區(qū)別如果離散相在計(jì)算域分布較廣,采用Mixture模型;如果離散相只集中在一部分,使用Eulerian模型;當(dāng)考慮計(jì)算域內(nèi)的 interphase drag laws時(shí),Eulerian模型通 常比Mixture模型能給出更精確的結(jié)果;從計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度 上考慮。選用FLUENT;相流模型的幾個(gè)要點(diǎn)多相流的計(jì)算,首先是要對(duì)要研究的問(wèn)題要有一個(gè)比較詳細(xì) 的了解。你對(duì)模擬過(guò)程了解多少,可能的結(jié)果是什么??梢韵?/p>

11、象 一下你模擬的過(guò)程,你想要得到的結(jié)果側(cè)重點(diǎn)在哪里,等等。然 后根據(jù)問(wèn)題選擇不同的多相流模型。由于不同的模型適合不同的 模型,因此首先要對(duì)FLUENT各個(gè)多相模型有一明確的概念。你如何簡(jiǎn)化問(wèn)題。另外,網(wǎng)格的劃分很重要。盡量采用簡(jiǎn)單的網(wǎng) 格。網(wǎng)格的疏密程度,那些地方要細(xì),那些地方可以疏些,等等。 好的前處理對(duì)獲得快速收斂的解非常非常重要!關(guān)于FLUENT不同多相流模型的選擇和比較:1)對(duì)DPM?I型,采用的是 Lagraian-Eulerian方法。粒子的運(yùn)動(dòng)是 按Lagrarian方法,連續(xù)流體的計(jì)算是按Eulerian方法。 DPM可以跟蹤單獨(dú)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。但該方法不考慮粒子對(duì)連續(xù)流體運(yùn)

12、動(dòng)的影響,所以只適用于粒子體積占總體積不大于10%的情況。2) VOF模型。該模型能夠比較好的反映多相流之間的界面情況。比如大的氣泡以比較慢的速度在液體中流動(dòng),氣液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各項(xiàng)物性參數(shù),如密度,粘度等,是各相物性的體積平均值,所以要求各相的速度之間差別不能太大,否則會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度影響很大。一般情況VOF采用非穩(wěn)態(tài)模擬比較好。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的,而是 1減 去其他離散相的值。3)Mixture模型。此模型考慮了離散相和連續(xù)相的速度差,及相互之間的作用。但相與相之間是不相容的。動(dòng)量方程及連續(xù)方程等中各物性參數(shù)采用的是各相體積平均值。主相的體積值不是

13、從體積守恒方程得到的,而是1減去其他離散相的值。4)Eulerian 模型。此模型可以對(duì)各相進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)算,每相都有單獨(dú)的守恒方程。據(jù)有很大的適應(yīng)性。但代價(jià)是由于要對(duì)各相都要進(jìn)行獨(dú)自計(jì)算迭代,計(jì)算機(jī)時(shí)是很巨大的。故Mixture是Eulerian 模型的一種折衷.氣浮池中的兩相流屬于:雙組份雙相流和絕熱兩相流(無(wú)相變無(wú)相間質(zhì)量交換)FLUENT中應(yīng)用DPM模型時(shí)的限制1 .對(duì)顆粒體積分?jǐn)?shù)的限制FLUENT所使用的離散相計(jì)算公式假定第二相十分稀薄,這就使得FLUENT忽略了顆粒間的相互作用以及顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)對(duì)氣相的作用。這就意味著離散相的體積分?jǐn)?shù)必須是一個(gè)相當(dāng)?shù)偷臄?shù)值,通常這個(gè)值小于10%12%

14、。注意:這里所講的是體積分?jǐn)?shù),而不是質(zhì)量分?jǐn)?shù),離散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是可以大于前面所述的限制的,你甚至可以用它來(lái)計(jì)算離散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于連續(xù) 相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況。如果你想使用常規(guī)多項(xiàng)留模型,可以參考第 22和第24章的內(nèi)容。2 .在模擬顆粒持續(xù)懸浮時(shí)的限制本章所描述的穩(wěn)態(tài)顆粒Lagrangian離散相模型適合模擬顆粒噴射進(jìn)入連續(xù)相中的時(shí)候,連續(xù)相流存在明確的入口和出口 條件。Lagrangian模型無(wú)法有效的模擬顆粒長(zhǎng)期懸浮情況下的流 動(dòng),比如在封閉系統(tǒng)中出現(xiàn)的固體懸浮的情況,像攪拌罐、混合 皿還有流化床。3 .使用DPM模型對(duì)使用FLUENT中其它模型的限制1周期流Streamwise perio

15、dic flow (既不能定義質(zhì)量流率也無(wú)法制定壓降)2當(dāng)使用預(yù)混燃燒模型時(shí),只能包含部反應(yīng)的顆粒。3對(duì)于Surface injections ,顆粒入射的面不能是移動(dòng)網(wǎng)格或變形 網(wǎng)格4顆粒云模型無(wú)法用于非穩(wěn)態(tài)的情況或者是并行計(jì)算的情況5 wall-film model 只適用于液體材料,The wall-film model is only valid for liquid materials. If a non-liquid particle interacts with a wall-film boundary, the boundary condition will default t

16、o the reflect boundary condition.6使用復(fù)合參考系時(shí),默認(rèn)情況下所顯示的顆粒軌跡是沒(méi)有意義 的。顆粒的入射速度是相對(duì)于顆粒被跟蹤時(shí)所在的坐標(biāo)系的。默認(rèn)情況下,入射速度是相對(duì)于當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系定義的。如果啟用了track-in- absolute-frame選項(xiàng),則入射速度在相對(duì)坐標(biāo)系中定義。Fluent多相流模型分類(lèi)1、 氣液或液液流動(dòng)氣泡流動(dòng):連續(xù)流體中存在離散的氣泡或液泡液滴流動(dòng):連續(xù)相為氣相,其它相為液滴栓塞(泡狀)流動(dòng):在連續(xù)流體中存在尺寸較大的氣泡分層自由流動(dòng):由明顯的分界面隔開(kāi)的非混合流體流動(dòng)。2、 氣固兩相流動(dòng)粒子負(fù)載流動(dòng):連續(xù)氣體流動(dòng)中有離散的固體粒子

17、氣力輸運(yùn):流動(dòng)模式依賴(lài),如固體載荷、雷諾數(shù)和例子屬性等。最典型的模式有沙子的流動(dòng),泥漿流,填充床以及各相同性 流流化床:有一個(gè)盛有粒子的豎直圓筒構(gòu)成,氣體從一個(gè)分散器進(jìn)入筒內(nèi),從床底不斷沖入的氣體使得顆粒得以懸浮。3、 液固兩相流動(dòng)泥漿流:流體中的大量顆粒流動(dòng)。顆粒的stokes數(shù)通常小于1。大于1是成為流化了的液固流動(dòng)。水力運(yùn)輸:在連續(xù)流體中密布著固體顆粒沉降運(yùn)動(dòng):在有一定高度的盛有液體的容器內(nèi),初始時(shí)刻均 勻散布著顆粒物質(zhì),隨后,流體會(huì)出現(xiàn)分層。4、 三相流以上各種情況的組合多相流動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)例氣泡流:抽吸、通風(fēng)、空氣泵、氣穴、蒸發(fā)、浮選、洗刷。液滴流:抽吸、噴霧、燃燒室、低溫泵、干燥機(jī)、蒸

18、發(fā)、氣冷、洗刷。栓塞流:管道或容器中有大尺度氣泡的流動(dòng)分層流:分離器中的晃動(dòng)、核反應(yīng)裝置沸騰和冷凝粒子負(fù)載流:旋風(fēng)分離器、空氣分類(lèi)器、洗塵器、環(huán)境塵埃流動(dòng)氣力輸運(yùn):水泥、谷粒和金屬粉末的輸運(yùn)流化床:流化床反應(yīng)器、循環(huán)流化床泥漿流:泥漿輸運(yùn)、礦物處理水力輸運(yùn):礦物處理、生物醫(yī)學(xué)、物理化學(xué)中的流體系統(tǒng)沉降流動(dòng):礦物處理。多相流模型的選擇原則1、 基本原則1) 對(duì)于體積分?jǐn)?shù)小于10%的氣泡、液滴和粒子負(fù)載流動(dòng),采用離散相模型。2) 對(duì)于離散相混合物或者單獨(dú)的離散相體積率超出10%的氣泡、液滴和粒子負(fù)載流動(dòng),采用混合模型或歐拉模型。3) 對(duì)于栓塞流、泡狀流,采用 VOF模型4) 對(duì)于分層/自由面流動(dòng),采用 VOF模型5) 對(duì)于氣動(dòng)輸運(yùn),均勻流動(dòng)采用混合模型,粒子流采用歐拉模型。6) 對(duì)于流化床,采用歐拉模型7) 泥漿和水力輸運(yùn),采用混合模型或歐拉模型。8) 沉降采用歐拉模型9) 對(duì)于更一般的,同時(shí)包含多種多相流模式的情況,應(yīng)根據(jù)最感興趣的流動(dòng)特種,選擇合適的流動(dòng)模型。此時(shí)由于模型 只是對(duì)部分流動(dòng)特征采用了較好的模擬,其精度必然低于只包含 單個(gè)

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