兩相流、多相流

1、兩相流的概念及類型兩相物質(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)氣液系統(tǒng)，隨兩相

2、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)變形，在液滴或氣泡內(nèi)出現(xiàn)環(huán)流

3、，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

4、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 。豎管中最常見的流型（見圖）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)小液滴和壁附近無連續(xù)液膜的霧狀流型。不同的流型有不同的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱傳質(zhì)規(guī)律。對(duì)流型

5、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?jǐn)?shù)稱為空隙率，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”，由此就有氣液，氣固，液固等兩相流之分。 兩相流的研究：對(duì)兩相流的研究有兩種不同的觀點(diǎn)：一是把流體作為連續(xù)介質(zhì)，而把

6、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)一般說來要小于10-12%（但顆粒質(zhì)量承載率可以大于10-12%，即可模擬離散相質(zhì)量流率等/大

7、于連續(xù)相的流動(dòng)）；不適用于模擬在連續(xù)相中無限期懸浮的顆粒流問題，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)方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴(kuò)散。通過計(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(Eulerian Model)VOF模型(Volume of

8、Fluid Model)VOF模型用來處理沒有相互穿插的多相流問題，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

9、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

10、分離，或者離散相的體積份額超過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多相流模型的幾個(gè)要點(diǎn)多相流的計(jì)算，首先是要對(duì)要研究的問題要有一個(gè)比較詳細(xì)的了解。你對(duì)模擬過程了解多少，可能的結(jié)果是什么?？梢韵胂笠幌履隳M的過程，你想要得到的結(jié)果側(cè)重點(diǎn)在哪里，等等。然后根據(jù)問題選擇不同的多相流模型。由于不同的模型適

11、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模型，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)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。

12、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

13、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（無相變無相間質(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%。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

14、的限制的，你甚至可以用它來計(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 periodic flow（既

15、不能定義質(zhì)量流率也無法制定壓降）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

16、default to 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的非混合流體流動(dòng)

17、。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氣力輸運(yùn)：流動(dòng)模式依賴，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)

18、、浮選、洗刷。液滴流：抽吸、噴霧、燃燒室、低溫泵、干燥機(jī)、蒸發(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)  &#

19、160;     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)   &