兩相流動(dòng)概述

第一課兩相流動(dòng)概述

尚智上海交通大學(xué)核工系一、概述氣固兩相流動(dòng)

氣體與固體顆粒一起流動(dòng)，如鍋爐內(nèi)部的空氣、煤粉的流動(dòng)；煙囪煤煙在空氣中的擴(kuò)散固液兩相流動(dòng)

固體顆粒在液體內(nèi)部的流動(dòng)，如泥漿的流動(dòng)氣液兩相流動(dòng)

氣體在液體中的流動(dòng)過(guò)程，是本門課程主要講述的內(nèi)容，如管道內(nèi)部的氣泡在液體中的流動(dòng)氣液（汽液）兩相流動(dòng)的應(yīng)用氣液兩相流動(dòng)與傳熱廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力工程、核能工程、石油化工、低溫工程、航天以及制冷、食品、冶金等工業(yè)的基本物理過(guò)程。然而，氣液兩相流動(dòng)由于兩相的共存且相界面形狀不規(guī)則與變形等復(fù)雜性因素，對(duì)于氣液兩相流動(dòng)的理解還遠(yuǎn)不充分，深入的研究尚有很長(zhǎng)的路要走。電站鍋爐的氣液兩流動(dòng)氣液兩相流動(dòng)在電站鍋爐中，主要發(fā)生在爐膛內(nèi)水冷壁內(nèi)管道的水蒸發(fā)過(guò)程，以及屏式過(guò)熱器、減溫器等部件內(nèi)。核電站汽液兩相流動(dòng)核電站汽液兩相流動(dòng)會(huì)發(fā)生在堆芯、二回路及冷凝器中二、汽液兩相流動(dòng)的基本研究方法(1)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式法：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式時(shí)工程兩相流體動(dòng)力學(xué)中最常用的方法。經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式應(yīng)用方便，但并不揭示問(wèn)題的物理本質(zhì)。雖然如此，由于兩相流動(dòng)的復(fù)雜性及該學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀，目前許多工程應(yīng)用還必須求助于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。(2)簡(jiǎn)單模型分析法：這是一種常用的工程模型分析法，它并不細(xì)致分析流動(dòng)特性，而是選擇關(guān)鍵特征并引入物理假定來(lái)建立供分析用的模型。氣液兩相流中常用的均相模型、分相模型以及適用于特定流型的一些分析法等都屬于此類方法。(3)微分分析法：建立由質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程組、邊界條件以及結(jié)構(gòu)方程構(gòu)成合適的閉合兩相流動(dòng)基本場(chǎng)微分方程組，由此解出兩相參數(shù)分布。兩流體模型便是一例。此種方法在絕大多數(shù)情況下計(jì)算十分復(fù)雜，目前尚不能在實(shí)際設(shè)計(jì)中廣泛運(yùn)用。但可以用這種方法研究如何改善工程基本特性和分析變化趨勢(shì)。例如，用于反應(yīng)堆事故分析、兩相流動(dòng)穩(wěn)定性定性分析等。(4)普適現(xiàn)象分析法：所謂普適現(xiàn)象是指與流型、分析模型及具體系統(tǒng)無(wú)特殊聯(lián)系的一些普遍物理現(xiàn)象。據(jù)此建立的分析方法便稱為普適現(xiàn)象分析法。例如，運(yùn)用波動(dòng)原理、極值原理等求解所研究的物理問(wèn)題，流動(dòng)不穩(wěn)定性分析便是一個(gè)具體實(shí)例。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）研究方法此方法是近些年來(lái)剛剛興起的一種流體力學(xué)數(shù)值研究方法，它是用計(jì)算機(jī)對(duì)已有的流體力學(xué)守恒微分方程進(jìn)行編程離散求解，通過(guò)解得的離散解來(lái)模擬這個(gè)流體流場(chǎng)的流動(dòng)與傳熱情況，得到滿足實(shí)際工程需要的結(jié)果。三、課外新知識(shí)（CFD）了解CFD的英文全稱是ComputationalFluidDynamics，中文：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)或計(jì)算流體力學(xué)。CFD求解問(wèn)題的基本思想如下：傳熱問(wèn)題固體的傳熱—導(dǎo)熱流體的傳熱—對(duì)流與導(dǎo)熱熱輻射數(shù)學(xué)物理模型能量守恒方程質(zhì)量守恒方程固體可以認(rèn)為是流體的特例（v=0）輻射可以作為是能量方程的特殊源項(xiàng)無(wú)法直接求解微分方程流動(dòng)問(wèn)題流體（氣體、液體、固體顆粒）伴隨著傳熱數(shù)學(xué)物理模型Navier-Stokes方程能量守恒方程質(zhì)量守恒方程無(wú)法解析求解微分方程能量守恒方程質(zhì)量守恒方程動(dòng)量守恒方程求解過(guò)程CFDCFD技術(shù)涉及的知識(shí)流體力學(xué)（包括湍流、可壓縮、不可壓縮、氣體動(dòng)力學(xué)、兩相流、分子流動(dòng)模型等）傳熱學(xué)計(jì)算方法計(jì)算機(jī)圖像處理等CFD的主要環(huán)節(jié)建立數(shù)學(xué)物理模型數(shù)值算法求解網(wǎng)格劃分技術(shù)結(jié)果可視化CFD的過(guò)程示意用CFD計(jì)算的一些結(jié)果展示四、核反應(yīng)堆的發(fā)展1.第一代核電站

第一代反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)受核燃料循環(huán)制約的影響，上世紀(jì)50-60年代，還沒(méi)有掌握鈾濃縮工業(yè)技術(shù)，反應(yīng)堆運(yùn)行只能使用天然鈾，以石墨或重水為慢化劑。從開(kāi)發(fā)更大功率動(dòng)力堆的角度來(lái)看，這些反應(yīng)堆具有一定的優(yōu)點(diǎn)（熱