固液两相流中固体颗粒的垂直分选模型
固液两相流中颗粒受力及其对垂向分选的影响
固液两相流中颗粒受力及其对垂向分选的影响孟晓刚1,2，倪晋仁1,2(1.北京大学环境工程系；2.水沙科学教育部重点实验室）摘要：在不同颗粒浓度条件下，通过考虑颗粒之间的相互作用，对固液两相流中的颗粒受力进行了分析。
采用拉格朗日方法对颗粒在一维两相流中垂向运动过程进行了模拟。
根据两相流中颗粒分选达到准稳定状态时的分选特征，探讨了作用于颗粒的各种力对颗粒运动和分选结构的影响。
推导出颗粒受力与颗粒分选机理之间的关系。
关键词：固液两相流；颗粒；垂向分选；受力作者简介：孟晓刚(1976-)，男，山西文水人，研究生，主要研究方向：固液两相流理论。
颗粒受力分析是固液两相流中固体颗粒运动研究的核心问题[1]。
Stokes （1851）曾对单个圆球、圆柱体和无限长平板在粘性流体中的简谐直线运动进行了较为详尽的研究，给出了反映流体对物体作用的数学表达式。
此后，Basset （1888）、Boussineaq（1885）、Oseen（1927）等研究了粘性流体中做加速运动的单个圆球的直线运动，指出作用在圆球上的力不仅取决于它的瞬时速度和加速度，而且与圆球做加速运动的历史有关，从而得到了著名的B.B.O.方程。
Tchen[2]进一步改进了B.B.O.方程，考察了不稳定紊流场中悬浮颗粒的运动，并给出了描述细颗粒运动的基本方程。
当流体中有多个颗粒存在时，颗粒的受力情况与单颗粒会有所不同。
任意一个颗粒的运动都可能受到其它颗粒的影响，颗粒之间作用的主要形式有接触、位置交换和颗粒之间的碰撞。
同时，大量颗粒的存在会影响液相的流动特性，后者的变化又会反过来影响颗粒的运动。
因此，对于多颗粒存在的情形，需要对B.B.O.方程进行修正以便能够考虑颗粒之间的作用。
黄社华等[3]在忽略粒间碰撞作用的前提下，在不同流动条件下对各作用力修上，得到了任意流场中稀疏颗粒运动方程的一般形式，并对方程进行了理论解析，探讨了颗粒物理性质对其运动规律的影响。
9_固液两相流动
1.2 环空固液两相流动机理
3.悬移质运动
当钻井液以紊流形式运动时，由于紊流的扩散作用使钻井液各层之间不仅 有动量的交换，而且也有质量（岩屑）的交换。当岩屑沉速小于钻井液径向脉 动速度时，岩屑就可能以悬移的形式运动。
环空流态为紊流时，其紊动猝发体以低速自岩屑床面附近上升过程中，也 携带了那里的岩屑。当猝发体崩解时，岩屑达到悬浮最高点，转而开始下沉。 在降落过程中，一部分岩屑被正在向岩屑床层运动的高速带所攫取，回到近壁 流区，另一部分岩屑落入正在上升的漩涡中，又转而向两侧散开，形式一股新 的向上抬升的低速带。就这样岩屑进入悬浮状态，形成一种动态平衡。
岩屑运移最小返速模型由于计算简便在现场得到了广泛应用，但 它无法描述斜井段和水平井段形成岩屑床后的岩屑运移规律，即不 同水力条件下的岩屑床高度和环空压耗的变化规律。这就需要建立 环空中存在岩屑床时的分层流动模型，其研究方法可以概括为实验 回归和理论建模两大类。不考虑岩屑床的累积和运移过程，环空流 动达到稳定时的岩屑状态计算模型称为岩屑运移稳定模型。
bSb
i Si
Fgb
Ffb
扩散方程 Csd 1
exp[ h sin ( y h)]dACb来自Asd Asdp
p 0.0140dssdRe1/3
岩屑床渗流压降
p L
17.3 Re
0.336
f Cbr2
ds (1 Cb )4.8
1.4 岩屑运移稳定流动 1.两层稳定流动
1.4 岩屑运移稳定流动
在滚动过程中，上举力增加，使该颗粒脱离 岩屑床而跳起，当岩屑上升到一定的高度以后， 颗粒的水平分速接近钻井液轴向流速，从这一点 起，该岩屑又转而下落。若跃起较高，则落到床 层后还可以重新跳起，而且还使下落点附近的颗 粒也跳起前移。此时即形成跃移质运动。
固液两相二次流现象及其研究_湛含辉
在底部区域 , 由于流体的粘性及与固体边界的 剪切力 , 流体 的切向速 度 (v )变 小 , 流体 的离
心力不能平衡其压力梯度 (Pr), 因此其流体偏向 中心 , 修正这种不满足上述假设动量方程而偏向中 心的流动我们叫它二次流 (其作用 厚度为 δ∝μω。 当然 , 从 广义的角度出 发 , 还有一种 人为的二次 流)。在实际中 , 单相二次流的流场参数和几何边 界等远非图 1 所表达的那么简单 。
但当二次流上升到主导或主要地位时甚至转化它们成为有利的一面使我们不得不加以重视而深入系统地研究它们二次流存在于粘性流体作曲线运动的一切过程中它的影响作用主要取决于流体的粘性和流场受离心力的大小对二次流的研究手段主要是在试验室里进行最基本的模型观察流场测试以及结合量纲分析和理论推导我们发现底部二次流是一旋转曲面体如公式且它对颗粒存在具有一定函数关系的搬移力为流体的旋转角速度按我们以上提出的固化边界层的假设依此类推为二次流场沿垂直方向的高度固液两相二次流的实验室初步研究公式也就是说不同的流体运动参数决定不同的secondorderfluidscurvedpipes
F′=f (m·ω)
… … (5)
式中 :F′为 颗粒受 的 “搬 移力” , 方向向 内 。
不难看出式 (5)有两个特点 :①接近理论的牛顿 公式 F =ma =m ·rω2 ;②F′与离心力F 的方向
不同 。
需要指出的是 :当颗粒质量较小 , 并且受的离
心力也较小时 , 颗粒受二次水流的推动力 F′起主
图 3 单个筒体内部或两筒体之间的二次流
2 二次流定义及固液两相二次流现象
二次流是指一种非主流方向的流动 , 它的存在 至少必须具备两个条件 :①流体作曲线运动 (离心 力存在);②流体本身或与固体边壁有剪切力存在 。
固液两相流的研究现状及进展
固液两相流的研究现状及进展摘要：本文主要写了固液两相流泵在国内的研究现状以及分别从内特性、外特性两方面对国内固液两相流泵的研究进展进行分析。
文中还给出了对固液两相流动中的最佳流动模式进行了探讨及固液两相流泵常用研究方法的分析。
关键词：固液两相流泵数学模型流动模式牛顿流体1．固液两相流泵在国内的研究背景我国对液固两相流泵的研究则始于20世纪70年代末80年代初,直到80年代中期以后按两相流理论设计的泵才逐步得到应用。
经过几十年的努力,我国两相流泵技术也得到了长足的发展, 国内许多学者应用两相流理论对固液泵进行了水力设计和试验研究, 积累了许多很有价值的经验和数据, 为我国对液固两相流泵的研究开辟了广阔的道路。
2.国内固液两相流泵的研究现状固液两相流泵的基本概念通常分为两类①杂质泵，包括泥浆泵、砂泵、挖泥泵等，主要用于冶金、矿山开采、电力、煤炭、水泥等行业抽送尾矿、精矿、灰渣、煤泥、水泥等，也可用于江、河、湖、海的挖泥和疏浚。
离心式泵约占杂质泵总量的70% 左右，这类泵主要应考虑磨损问题。
市场调查发现: 上海主流泵生产企业生产的离心式的固液两相流泵主要是渣浆泵。
②无堵塞泵，包括旋流泵、单流道泵、多流道泵、螺旋离心泵和开式或半开式离心泵等，主要用于抽送污水、纸浆、纤维等，这类泵主要考虑的是堵塞问题。
由于固液两相流动的复杂性和特殊性，所以固液两相流泵在性能、噪声、寿命等方面存在着较大的缺陷。
为了克服上述缺点，国内外学者先后通过理论分析，实验研究和数值模拟等方法深入研究固液两相流泵的流动机理，优化泵的设计来提高其效率和寿命，降低噪音。
3.固液两相流泵的研究理论3.1外特性研究20 世纪30 ～ 60 年代，国外学者研究固液相的性质与外特性关系得出的主要结论是: ①泵的扬程随着浓度的增加而下降; ②泵的功率随着浓度的增大而增大; ③泵的效率随着浓度的增加而下降;④泵的最高效率点向着小流量区偏移。
固液混合物的性质( 浓度、比重、粒径) 对离心泵性能方面的影响。
冲蚀磨损的数值模型研究分析
管理及其他M anagement and other 冲蚀磨损的数值模型研究分析马 莹，文 波摘要：机器管道、涡轮机叶片等机器关键部件受到气体、固体颗粒、浆料等的冲击，会造成大量的冲蚀磨损，降低材料的使用寿命与安全系数。
冲蚀磨损主要是受到固体颗粒、气-固、液-固等的冲击造成，如何能有效的评估冲蚀磨损情况，预测零件的使用寿命、选择合适的材料是研究的主要难题。
本文介绍了固体颗粒对材料的冲蚀磨损机制，并引入了固体颗粒的入射角、速度、冲蚀时间、性能、温度和靶材性能等因素，分别对冲蚀磨损情况进行总结。
文章采用优化方法进行建模，克服现有实验的难点，提升材料研究周期，降低研究成本。
本文介绍了国内外冲蚀磨损数值模拟研究现状，选择Johnson-Cook模型作为材料的本构模型和失效模型，讲述了不同种情况下单粒子和多粒子的冲蚀模拟研究，并对冲蚀磨损下一阶段研究工作方向和存在的问题进行了阐述。
关键词：冲蚀磨损；性能特点；有限元数学建模；FEM生活中存在着各种摩擦，而摩擦必然会导致磨损。
冲蚀磨损是一种常见的磨损现象，广泛存在于自然界和社会生产生活中。
比如在采矿机器的气动输送管道中，物料对管道壁的磨损，尤其是弯头处更为严重；或者炼钢炉输气管道被燃烧的灰尘冲蚀；喷砂机的喷嘴受到砂粒的冲蚀；还有航空飞机涡轮盘受到风沙等砂粒的冲刷磨损等等。
据统计，冲蚀磨损约占总磨损的8%。
而在管道输送物料过程中，弯头处的冲蚀磨损占直通部分磨损的50倍；在对锅炉管道的失效分析中，约有1/3的管道事故是由冲蚀磨损引起的。
此外，在航空飞机起飞或降落以及风沙多发地区低空飞行时，发动机的热端部位如涡轮盘会遭受到超高速、小粒径的较低通量冲刷磨损，此种情况下的运行温度可达550℃至900℃，被称为高温高速冲刷磨损。
因此，冲蚀磨损在工业生产中造成了严重的损失和危害。
因此，对冲蚀磨损机理进行分析，并对材料所受的磨损情况进行预估研究非常重要。
冲蚀磨损是指材料在受到小而松散的流动颗粒冲击时表面发生破坏的磨损现象。
9_固液两相流动分析
1.1 固液两相流动研究概况 1.固液两相流研究背景
固液两相流动广泛存在于自然界及能源、化工、石油、矿业、水利等各个
领域。尤其近年来，随着科学技术的发展，新材料、新技术、新工艺的出现 ，固液两相流理论的应用范围不断扩大，它在现代工业和科学技术各个领域 中的重要性也越来越明显。 例如，固体颗粒的水力输运，泥沙在河流中的运移，化学工业中的搅拌、 过滤等单元操作，湖泊、河流和海洋的污染，石油钻井中岩屑的运移，油层 水力压裂工艺中支撑剂的运移等等，不胜枚举。 目前，国内外对于固液两相流的研究都极为重视，它已成为当今流体力学 研究中最具挑战性的前沿领域之一。
；在水平井段，二者方向正交，其合速度 指向井眼下侧，因而极易在井壁下侧形成 岩屑沉积床。
1.2 环空固液两相流动机理 1.2.1 岩屑颗粒受力分析
1.2 环空固液两相流动机理 1.2.2 岩屑颗粒运动形式
岩屑所受各力的综合 结果在群体上就表现为 不同的运动形式： 接触质；跃移质；层 移质；悬移质 其中接触质、跃移质 和层移质又统称为推移
1.固液两相流动
1.1 固液两相流动研究概况 1.2 环空固运移稳定流动
1.1 固液两相流动研究概况
固液两相流动广泛存在于自然界及能源、化工、石油、矿业、水利等 各个领域。 尤其近年来，随着科学技术的发展，新材料、新技术、新工艺的出现 ，固液两相流理论的应用范围不断扩大，它在现代工业和科学技术各个 领域中的重要性也越来越明显。 例如，固体颗粒的水力输运，泥沙在河流中的运移，化学工业中的搅 拌、过滤等单元操作，湖泊、河流和海洋的污染，石油钻井中岩屑的运 移，油层水力压裂工艺中支撑剂的运移等等，不胜枚举。 目前，国内外对于固液两相流的研究都极为重视，它已成为当今流体 力学研究中最具挑战性的前沿领域之一。
一种判断气／固两相流流型的新方法
一种判断气／固两相流流型的新方法阚哲;王晓蕾【摘要】Develop better instruments to measure its parameters is particularly important for gas/solid two widely used in industrial production. Many scholars are committed to the gas/solid two-phase or multiphase flow research, and has made considerable progress. In this paper, a brief introduction at this stage the measurement of gas/solid two-phase flow method under the premise put forward a new judgment ofgas/solid two-phase flow method. Based on the definition of probability density, the mean of the measured signal to direct judgment.%对于广泛应用于工业生产的气，固两相流，研制较好的仪器来测量其参数显得尤为重要。
而且国内外许多学者都在致力于气，固两相流甚至多相流的研究，并取得了长足的进展。
本文在简要介绍现阶段测量气，固两相流流型方法的前提下，提出一种新的判断气／固两相流流型方法。
即基于概率密度定义，利用测量信号的均值进行直接判断。
【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)021【总页数】3页(P80-82)【关键词】气／固两相流;流型;传感器;静电;电容层析【作者】阚哲;王晓蕾【作者单位】辽宁石油化工大学,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TH815气/固两相流广泛的存在于工业生产过程中，例如，在电力、建材、冶金、化工、环卫、医药和粮食加工等很多工业生产中，应用管道气力输送工艺来传送煤粉、水泥、矿石、盐类以及面粉等都是属于典型的气/固两相流流动。
基于CFD
基于CFD−DPM耦合法新型差压密度计中水泥浆液流动特性分析李静雅;徐力生;徐蒙【摘要】为了揭示水泥浆液密度检测过程中运动规律,基于欧拉?拉格朗日法建立连续?离散相模型,通过CFD连续模型和DPM离散模型分别求解液相速度分布和固相颗粒运动轨迹,对差压密度计中水泥浆液流速场和颗粒场进行模拟.研究结果表明:在差压密度计测量过程中,水灰比为5:1~3:1的低质量分数浆液沿测量筒中心线和横截面方向均匀分布,水灰比为3:1~0.5:1的高质量分数浆液沿测量筒中心线方向均匀分布,沿横截面方向呈一阶递减梯度分布,常规质量分数水泥浆液在核心测量区域内基本呈稳定流动状态;水灰比为0.5:1~5:1的浆液固相颗粒均匀分布于测量筒内,未出现局部聚集和真空区域.双耦合模型解决了水泥浆液传统模型模拟失真问题,为差压密度计研发过程中水泥浆液流动状态的分析提供了依据.%To reveal the velocity and particle distribution regularity in the measuring cylinder, a coupling method of continuous and discrete phase model was established based on Euler?Lagrange method. The velocity distribution was solved by the CFD continuous model and the solid?phase particle trajectory was solved by DPM discrete model, and the velocity and particle field in the new type differential pressure densimeter were simulated. The results show that, during the measurement of the new type densimeter, the flow velocity of low concentration grouts with water-cement ratio of 5:1?3:1 has a uniform distribution along the center line and transverse direction of the cylinder, while high concentration grouts with water-cement ratio of3:1?0.5:1 has a uniform distribution along the center line but gradientdistribution along the transverse direction of the cylinder, and so normal concentration grouts show laminar flowing state in the core measuring area of the cylinder. Solid particle is distributed evenly over the cylinder and there is no special local accumulation or vacuum area for grouts with water–cement ratio of 0.5:1?5:1. Double coupling model solves the simulate distortion of tradition single model and provides specific evidence for the development of new type differential pressure densimeter.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)005【总页数】8页(P1308-1315)【关键词】CFD−DPM;水泥浆液;流动特性;水灰比;固液两相流【作者】李静雅;徐力生;徐蒙【作者单位】中南大学地球科学与信息物理学院,有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,湖南省有色金属资源与地质灾害探查重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学地球科学与信息物理学院,有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,湖南省有色金属资源与地质灾害探查重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学地球科学与信息物理学院,有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,湖南省有色金属资源与地质灾害探查重点实验室,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TP212;TV543对于固液两相流的模拟和计算，传统方法有2种：一是将液相和固体颗粒相视为一种混合物，采用伪单相流体模型进行流场计算，也就是混合理论；二是将颗粒相视为拟流体，采用双流体模型进行流场计算。