气液两相流界面多尺度问题可计算性研究进展
《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文
《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言在许多工业应用中，如石油、天然气和化学工业中，气液两相流是非常常见的流动状态。
对水平管内气液两相流的流型进行深入的研究对于提升设备的效率和可靠性具有重要意义。
本论文通过数值模拟和实验研究的方法，探讨了水平管内气液两相流的流型特征及其变化规律。
二、文献综述在过去的几十年里，许多学者对气液两相流进行了广泛的研究。
这些研究主要关注流型的分类、流型转换的机理以及流型对流动特性的影响等方面。
随着计算流体动力学（CFD）技术的发展，数值模拟已成为研究气液两相流的重要手段。
同时，实验研究也是验证数值模拟结果和深化理解流动机理的重要途径。
三、数值模拟1. 模型建立本部分首先建立了水平管内气液两相流的物理模型和数学模型。
物理模型包括管道的几何尺寸、流体性质等因素。
数学模型则基于质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律，并考虑了气液两相的相互作用。
2. 数值方法采用计算流体动力学（CFD）方法对模型进行求解。
通过设置适当的边界条件和初始条件，得到气液两相流的流动状态。
此外，还采用了多相流模型和湍流模型等，以更准确地描述气液两相的流动特性。
3. 结果分析通过数值模拟，得到了水平管内气液两相流的流型图、流速分布、压力分布等结果。
分析这些结果，可以深入了解流型的转变过程和流动特性。
四、实验研究1. 实验装置设计了一套用于气液两相流实验的装置，包括水平管道、气体供应系统、液体供应系统、测量系统等。
通过调节气体和液体的流量，可以模拟不同工况下的气液两相流。
2. 实验方法在实验过程中，通过观察和记录流动现象，获取了流型、流速、压力等数据。
同时，还采用了高速摄像等技术，对流动过程进行可视化分析。
3. 结果分析将实验结果与数值模拟结果进行对比，验证了数值模拟的准确性。
同时，还分析了不同因素（如管道直径、流体性质等）对气液两相流流型的影响。
五、结论与展望通过数值模拟和实验研究，得到了以下结论：1. 水平管内气液两相流的流型受多种因素影响，包括管道直径、流体性质、流速等。
气液两相流流型研究进展答辩
1956年，Sobocinski在水平透明管中研究了油气水三相流，发现在低流量下三相分层流动，而在高流量狭隘出现了分散流动，因而提出了划分三相流型的观点。
1970年，schlichting利用现场管线研究油气水三相流，修正了Lockhart & Martinelli计算方法。
1972年，Bocharov等发表了油、水、天然气三相流动的现场试验结果，指出油水乳状液反相时，管线压降达到最大值。
1974年，Guzhouv等将油气水三相流现场实验结果与两相流加以比较后指出：把稳定油水乳状液的性质用于三相混合物的液相是不合适的。
1991年，德国汉诺威大学的Stapelberg等学者采用对比法，对流型进行了研究。
1992年，美国Rensslaer工业研究院的Acikgoz等学者发表了油气水三相流型的研究成果。
1993-1996年，美国Ohio大学的Jepson、Lee等学者发表了油气水三相流的研究结果，包括流型、压降、分层流的液膜厚度和段塞流频率等研究内容。
1995年,著名学者Taitel、Bernea和Brill等将气液两相流的Taitel-Dukler(1976)流型划分法推广到油气水的三相流动,得到了判别分层流向其他流型转变的方法,并发现在较低气体流速下与试验吻合较好。
同时指出在给定的气体流量下,分层流向其他流型转变时与液面高度直接相关,所以当黏度较高的油品在液相中的流量比增加时,液面高度会上升,分层流将在较低液体流量下发生转变,其区域缩小。
因此，油水流量比对流型的变化有重要影响。
1997年,Hewitt等在高压多相流设备上进行了三相流实验,研究了流型、压降和相分率。
Acikgoz流型划分:实验在恒温（26±0.5℃）下进行，管径为19mm，管长为5.78m，其中流动发展段为2.93m，试验段为1.83m。
选择类似北海原油的矿物油做油相，25℃时其粘度为116.4mPa·s，密度为864kg/m3 。
《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文
《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言随着能源、化工等领域的不断发展，水平管内气液两相流的研究变得日益重要。
在许多工业过程中，如石油开采、管道输送、冷却系统等，都需要对气液两相流进行深入的研究。
气液两相流的流型对管道的输送效率、安全性能以及系统设计都有重要的影响。
因此，本文对水平管内气液两相流的流型进行了数值模拟与实验研究，以期为相关领域的实际应用提供理论依据和参考。
二、流型分类与数值模拟方法水平管内气液两相流的流型主要分为泡状流、弹状流、泡状-弹状混合流、环状流等。
这些流型具有不同的流动特性和相互转换的规律。
为了更好地研究这些流型的特性，本文采用了数值模拟的方法。
数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）方法，通过建立数学模型，对不同流型下的气液两相流进行模拟。
在模拟过程中，考虑了流体物性、管道尺寸、流动速度等因素对流型的影响。
同时，采用适当的湍流模型和两相流模型，对气液两相的相互作用和流动特性进行描述。
三、实验研究方法与结果分析为了验证数值模拟结果的准确性，本文还进行了实验研究。
实验采用水平管道装置，通过改变气液流量、管道尺寸等参数，观察并记录不同流型下的流动特性。
实验结果表明，随着气液流量的增加，流型逐渐由泡状流向环状流转变。
在泡状流中，气泡分散在连续的液相中；在弹状流中，较大的气泡或气团交替出现在连续的液相中；而在环状流中，气体核心包裹着液体在管道中流动。
这些流型的转换规律与数值模拟结果基本一致。
此外，实验还发现，管道尺寸对流型也有显著影响。
当管道直径增大时，更易形成环状流；而当管道直径较小时，更易形成泡状或弹状流。
这为实际工程应用中管道设计和优化提供了重要的参考依据。
四、数值模拟与实验结果对比分析将数值模拟结果与实验结果进行对比分析，可以发现两者在流型转换规律和流动特性方面具有较好的一致性。
这表明本文采用的数值模拟方法具有较高的准确性和可靠性，可以为实际工程应用提供有效的预测和指导。
《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文
《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言随着能源、化工等领域的不断发展，水平管内气液两相流的研究变得日益重要。
流型的研究对于了解气液两相流的传输特性，预测设备运行状况以及优化过程控制具有重要的实际意义。
本文针对水平管内气液两相流流型进行数值模拟与实验研究，为实际工业应用提供理论支持。
二、文献综述气液两相流的研究历史悠久，学者们通过实验和理论分析，对各种流型进行了深入的研究。
在水平管内，气液两相流的流型主要包括泡状流、弹状流、环状流等。
这些流型的特性对管道的传输效率、压力损失以及设备运行稳定性具有重要影响。
近年来，随着计算流体动力学（CFD）技术的发展，数值模拟在气液两相流研究中的应用越来越广泛。
三、研究内容（一）数值模拟本文采用CFD技术对水平管内气液两相流的流型进行数值模拟。
首先建立物理模型和数学模型，确定求解方法和边界条件。
然后，通过数值计算得到不同流型下的速度场、压力场等物理量分布。
最后，对模拟结果进行验证和分析，为实验研究提供理论支持。
（二）实验研究实验研究是本文的重点部分，主要包括实验装置、实验方法、数据处理和结果分析。
实验装置包括水平管、气源、液源、测量仪器等。
实验方法采用可视化观察和物理量测量相结合的方式，对不同流型下的气液两相流进行观测和记录。
数据处理主要包括数据采集、整理、分析和图表制作等步骤。
最后，对实验结果进行分析和讨论，为数值模拟提供验证依据。
四、结果与讨论（一）数值模拟结果数值模拟结果表明，水平管内气液两相流的流型与气流速度、液流速度、管道直径等参数密切相关。
在不同参数下，流型表现出不同的特性，如泡状流的分散性、弹状流的周期性以及环状流的连续性等。
这些结果为后续的实验研究提供了理论支持。
（二）实验研究结果实验研究结果表明，不同流型下的气液两相流具有不同的传输特性和传输效率。
例如，在泡状流中，气泡的分散性较好，有利于提高传输效率；而在环状流中，液膜的连续性较好，有利于降低管道的摩擦阻力。
智能制造中气液两相流计算方法研究
智能制造中气液两相流计算方法研究随着科技的不断发展，智能制造成为了一个热门的话题。
智能制造是通过云计算、大数据、物联网等技术将生产过程进行数字化和网络化管理，实现生产过程的智能化和自动化，从而提高生产效率和质量。
而在智能制造中，气液两相流计算方法成为了非常重要的一部分，本文将对气液两相流计算方法进行研究。
理解气液两相流在探讨气液两相流计算方法之前，我们需要先理解什么是气液两相流。
气液两相流是指在管道或者其他封闭系统中，气体和液体同时存在的一种现象。
气液两相流的状态是非常复杂的，包括气泡、液滴、液膜、雾气等等。
理解气液两相流对于我们探讨计算方法非常重要。
气液两相流计算方法气液两相流计算方法是用来计算气液两相流的参数的方法。
气液两相流的参数包括：气相和液相的速度、浓度、压力、相对含量、相对流量等等。
直接测量这些参数非常困难，因此需要通过计算方法来间接推导出这些参数。
气液两相流的计算方法通常包括基于物理原理的方法和基于经验公式的方法。
基于物理原理的方法是通过对气液两相流的物理方程进行建模，从而求解流场和相场的参数，包括速度场、压力场、相对含量场等等。
基于经验公式的方法则是通过大量试验数据进行归纳总结，建立经验公式，从而计算气液两相流的参数。
气液两相流计算方法的研究是非常重要的，因为气液两相流在制造过程中被广泛应用。
气液两相流在化工、石化、食品、制药等领域有着广泛的应用，特别是在新能源产业中更是不可或缺的一部分。
总结综合来看，气液两相流计算方法是智能制造中非常重要的一部分。
在现代制造过程中，气液两相流被广泛应用，因此气液两相流计算方法的研究是非常有价值的。
在未来，随着智能制造技术的不断发展，气液两相流计算方法将扮演越来越重要的角色。
水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究
水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究一、引言随着工业技术的发展，气液两相流在许多工业领域中都有着广泛的应用。
对气液两相流的流型进行研究可以帮助我们了解气液两相流在不同工况下的行为规律，并为工业生产提供参考依据。
本文通过数值模拟和实验研究的方法，对水平管内气液两相流的流型进行探究，旨在揭示其内在机理并提供实际应用上的指导。
二、气液两相流流型气液两相流的流型可以根据界面形态、相对速度和尺度等不同特征进行分类。
在水平管内，常见的气液两相流流型包括气泡流、毛细液膜流、层流、湍流等。
1. 气泡流气泡流是指气泡连续相沿管道轴向方向流动的流型。
气泡流的流动规律复杂，气泡的生成、增长、移动和破裂等现象会对系统产生重要影响。
2. 毛细液膜流毛细液膜流是指液滴连续相沿管道轴向方向流动的流型。
毛细液膜流具有较高的液滴保持率和较低的液滴速度，可应用于化工领域中逆流萃取、反应器和蒸馏器等设备的设计。
3. 层流层流是指气液两相在管内形成整齐分层的流动方式。
层流具有较低的气液摩擦，较小的波动和均匀的分布特点，适用于气体和液体之间传质和反应等过程。
4. 湍流湍流是指气液两相之间发生剧烈的随机运动，界面不规则、相对速度梯度大的流动现象。
湍流带来的剧烈的涡流运动能够增强传热、传质和混合效果，但同时也带来了较大的能耗和压降。
三、数值模拟方法1. 基本原理数值模拟方法一般采用基于流体动力学（CFD）的欧拉方法，通过对流体连续方程、动量方程和能量方程的离散，求解气液两相流的速度、压力和温度等物理量。
2. 模型设定通过建立水平管道的几何模型和气液两相流的初始条件，设定不同的流量、压力、温度等工况参数，以模拟实际工程中的不同场景。
3. 数值算法常见的数值算法包括有限体积法、有限元法和边界元法等。
通过基于时间和空间的离散化方法，将连续方程转化为离散方程，进而通过迭代求解得到数值解。
四、实验研究方法1. 实验设置通过在水平管内进行气液两相流实验，观察和记录不同流型的现象和特征，以定量分析其行为规律。
气液两相流流型实验报告
⽓液两相流流型实验报告⽓液两相流流型实验报告实验名称：⽓液两相流流型实验⽬的：1. 熟悉台架,掌握流量测量仪表的使⽤；2. 掌握常见两相流流型的划分⽅法及相关规律，观察⽔平管中不同流型的特点；3. 根据各⼯况点实验数据绘制两相流流型图，并与典型流型图做⽐较。
实验任务：实验测量数据：,,,.(1) 测取不同情况下⽓相，液相流量；记录P P t tw⽓减室(2) 判别流型要求：(1) 实验数据汇总表；(2) 绘制αβ-曲线(3) 根据实验数据⽤Weisman图判别流型实验原理1、⽔平管道中⽓液两相流流型的划分及各流型特征在⽔平管道中的⽓液两相流，由于重⼒影响使流型结构呈现不对称性，因⽽⽔平管中的流型特征变得较为复杂。
Oshinowo流型划分原理使流型变得相对简单，根据Oshinowo的划分原则，⼀般把⽔平管道中的流型划分为六种，泡状流、塞状流、层状流、波状流、弹状流、环状流。
（1）泡状流在泡状流中，⽓相是以分离的⽓泡散布在连续的液相内，⽓泡趋向于沿管道上半部流动，这种流型在含⽓率低时出现。
（2）塞状流在塞状流中，⼩⽓泡结合⼤⽓泡，如栓塞状，分布在连续的液相内，⼤⽓泡也是趋向于沿管道上部流动，并且在⼤⽓泡之间还存在⼀些⼩⽓泡。
（3）层状流在层状流中，两个相的波动被⼀层较光滑的分界⾯隔开，由于重⼒和密度不同，⽓相在上部液相在下部分开流动。
层状流只有在⽓相和液相的速度都很低时才出现。
（4）波状流当⽓流速度增⼤时，在⽓、液分界⾯上掀起了扰动的波浪，分界⾯由于受到沿流动⽅向的波浪作⽤⽽变得波动不⽌。
（5）弹状流当⽓体流速更⾼时，分界⾯处的波浪被激起与管道上部管壁接触，并形成以⾼速沿管道向前推进的弹状块。
（6）环状流当⽓体流速进⼀步增⾼时，就形成⽓核和环绕管周的⼀层液膜，液膜不⼀定连续均匀的环绕整个管周，管⼦的下部液膜较厚，在⽓芯中也夹带有液滴。
表1⽔平绝热管中的流型变化A表⽰环状流（annular）；B表⽰⽓泡（bubble）；BTS表⽰中空⽓弹（blow through slug）；D表⽰液滴（droplet）；F表⽰液膜（film）；IW表⽰平缓波（inertial wave）；LRW表⽰⼤翻卷波（large roll wave）；PB表⽰⽓栓加⽓泡（plug＆bubble）；PF 表⽰⽓栓加泡沫（plug＆froth）；R表⽰涟漪波（ripple）；RW表⽰翻卷波（roll wave）；S表⽰⽓弹（slug）；ST表⽰层状流（stratified）。
气液两相流研究现状
气液两相流研究现状两相滝的定义妾从相的概念出发.相是指在没有外力作用下*物理、化学性质完全相同*成分相同的均匀物质的顒嗪态*并且相与柑之问有明璃的物理界面*自然界中的物廣通常可分为气相.液相和固袍，单相物质（如气休或液秋）的逹动称为单相流、两榨谎则指的聂两种不同相物质（至少一相为流体）在同i体系中的共同流动|'卩自然界和工程领城中广眨有在着两相流.两相流在莅油、动力、化工、制冷、枚能、冶金、水泥.鴨倩加工、适城、水利、环境保护*建筑及航天等领城荊有潘广楚的应用凹叫按携相的纽昔方式可以将工业中的两相就分为：气液两相流"气固两相流*液因两相谎【"⑶・此外，工程中也将两种不能均匀倔合的液体的女屁流动称为直液荊相流⑴叫气痕两相流是两相流动中锻为常叽的形或之一，在各种工业领域中广通存在.例如、石描.天然气和低器点液体的传输过程’再如锅妒、沸腾管r净礙器、气液淞合黑、苓液分离器等传热传质设备中的化学物理过程.由于吒液两棺谨中的％榨和藏相都具有可变界面，而气相文具有可压绸性*因此气議两相流被认为是最为复来的一种两相流动I叫气液两相流可以旅据吒液两相的组分而分为单粗分气液两樹流和克组分气液两相流【叫单组分气液两相流的气液两相为同一种化学庇分的物质.例如，水蕉气和水的甩合物的谨动掲于单组分气克两相逋’单组分气Si两相诫在流动时很携压力变化的不同会发生栢«,即部分就体能汽化为驀汽或部分黨汽癡结为液体.眾组分气痕两相流的气義两相为不同化学成分的两种機廣.例如，空气和水的混合物的流动属于双组分茕簌蒔梱流，双齟分气液菸相流一般在流动时不会发生相变.与单相潦相比，气液两枸渡有着怦多特点。
气液两相洗各相间的物埋性就（密度*粘度筹）■化学性嵐、相间相对速厘等都畏影响两相渝就动的豐宴因素.此外’由于相界面的存在，通过界面可能发生热矍、质量和动量的传递.气液界面的形状还会随时发生变化, 不同程度的相的衆井也可能会发生，如小气逼并战大吒泡或小就猜井成大菠滴.总之，气戒两相流本禽存在的这些特性都使得吒菠商相流问題的竝理费得更加困难和崔也【工创气栽两相流中的气相和液相通常各具有一组流动费量•因而描述九菠两相流的参数要比描述羊相沆的参数多•气液两相流动介质在时问、空间上存在随机分布和相界面的变化, 相问还可能存在相对速度等，除了描述单相流动的券歌如速度、温度、圧力、流量等寥数外，研究者们还引入了一些新的参数对气義两相流动特性进行描述.常见的气液两相流主要参數包括：流型、分相含率、速度.流帑.密度和压力降尊卩切・(1)流型流型指的是流体流动过程中相分布的结构咸形式，是两相流动的一个定性的参数.两相流体的传熱、传质特性会受到流型的影响，而且两相流其他歩数的准确测11也在往依赖于对流型的了解.由于气液两相界面形状的随机可麦，便得气液两相流具有复杂多样的涛型.(2)分相含率分相含銅指的是两相流体系中各相的分相含量，对于分相含率，各类两相流有臺不同的习慢术语，在气液两相流中分和含率又称为空隙率或含气來，而气因两相流中分相含率则称为空陳度或含固率.分相含望可以表示一段管流按容积.栽面的平均分相含率.也可以炭示局部分相含率.对于气液两相流而肯，分相含率是指在两相流借逋横我面上气相所占的截面积与管谴横截面总面积之比，表示为：(IJ> 其中，/为横载面总面积，〃为气相所占的截面积，/0为液相所占截亜积.当两相流动是定常的均匀流动时，分相含率还可以用管谴中某一长度内气相所占的容积与该段管道的总容积之比，即(1.2)A L其中，卩为管段总体积，岭为吒相所占体积.阶为液相所占体积.⑶速度由于气液两相流的相之间存在相对速度，除了以混合流体的平均速度描述外，还采用 分相洗速来叢示.对于气液两相流.分相流速包据吒相折算速度站呛和液相折算速度吟， 定义为分相流量与曾道总截面积之比，分别表示为；其中，Q 为气相体积流量，@为液相体税流量.气相实际流連叫与液相实际茨速⑷则定义为是单相流金与单相实际占据的裁面积之 比.分别表示为：(].5)(1.6)(4) 流量两相流的流1!通常可以采用容积流量或质量流量来进行描述•对于气液甫相這的总质 量流量.定义为舉位时冋内流过任一管适様戏面的代欢混合搁的总质量(叩％相质量流量 与戒相质童流量之和 >;对于气液两相流的总体积流祉，定义为单位时间内流过任一管道 橫截面的气液混合物的总体积(即气相依积流量与裁相体积流畳之和>.(5) 密度对于气液两相流动，两相混合物的平均密度也是一个常用参数.通常可根据各相密度 和分相含举等参数计算获御.(6) 压力降压力嘩是设计各种存在气液两相流动的工程设备的最基本参数之一•气液两相流的压 力降除了包括摩擦阻力压力降、重位压力降、加速圧力降这三种圧力降以外，在实际工程 领域的管路中，还存在局部阻力压力降，它畏气簌两相流在流经各种阀门、弯头、孔扳豹 文丘里管等管件时产生的压力降.目询r 关于气液那相流压力降已经有不少的硏究工作, 有大：■的a =_a_A A K + (13)<1.4)圧力降计算模型和计算式可供应用同.除了上述的歩数之外，诸如传热、传质系菽、滑移比尊参数也是两相流中常见的参数, 这些参数对于两相流系沆动特性的分析和研究也都有着重夏的作用卩・v此外，两相流中气泡、義滴或颗粒的尺寸及分布，液廡的厚度等也都是描述两相流动特性的参数卩】・本文硏究中涉及的两相流参数主要为气液两相流的流型、气泡速度和气相含率.。
气液两相流的数值模拟研究
气液两相流的数值模拟研究一、前言气液两相流在化工、石油、医药、环境等领域有着广泛的应用。
受复杂流体力学问题和实验难度大的限制，气液两相流的数值模拟成为研究的主要手段之一。
本篇文章将探讨气液两相流数值模拟的现状和发展方向。
二、气液两相流模型气液两相流的数值模拟是指通过计算机数值模拟方法对气液两相流的过程进行计算预测的过程，模型选择和建立是数值模拟的关键环节之一。
1.流体动力学模型流体动力学模型主要考虑流场的宏观特性，流体视为连续介质，方程组包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程。
此模型适用于微尺度气泡和液滴数较少的情况。
2.多相流动模型多相流动模型将气液两相作为两种不同的物理介质，其流动是非连续性的，不同于单相流动模型，需要考虑多个相之间流动的交互作用。
常用的多相流动模型有界面追踪法、Euler-Euler方法、Euler-Lagrange方法等。
3.离散元模型离散元模型主要考虑颗粒间相互作用，颗粒被视为刚体，通过颗粒间作用力学来描述粒子移动、碰撞、断裂等运动过程。
此模型适用于凝聚、粘附、颗粒运动较多的气液两相流。
三、气液两相流数值模拟方法气液两相流的数值模拟方法有多种，以下为常用的数值模拟方法。
1.有限体积法有限体积法将流场分为小的控制体，以格子中心的物理量来表示流场特征，并通过有限差分方式离散处理控制体边界，二次精度和高精度的算法可以在模拟气液两相流时减少精度误差。
2.有限元法有限元法将计算区域分解为无限小的单元，用连续物理场的试验函数来描述流场，通过离散计算相邻单元之间的交互作用来求解流场。
此方法适用于多物理场耦合问题。
3.格子Boltzmann方法格子Boltzmann方法将流体粒子离散在格子上，通过Boltzmann方程来描述流体的运动，通过背反演逆过程将宏观流场转换为微观状态，再根据微观状态模拟宏观流场，其有优秀的高精度和高效性能，但对于多相流有一定局限。
四、气液两相流数值模拟的进展气液两相流数值模拟在几十年的发展中，已经得到了较大的进展，但仍有一些问题亟待解决。
机械工程中的气液两相流动问题研究
机械工程中的气液两相流动问题研究在机械工程领域中，气液两相流动是一个复杂而重要的问题。
气液两相流动涉及到天然气传输、石油开采、化工工艺以及核能领域等诸多工程应用。
研究气液两相流动的行为和机制，不仅可以为工程设计提供理论依据，还能改善工艺流程，提高能源利用效率，保障工业生产的安全性。
气液两相流动是指气体和液体同时存在且相互作用的流动系统。
在一些实际工程中，气液两相流动被广泛应用，如气体输送、泡沫分离、汽车燃料喷射、核电站蒸汽发生器和原油在管道中流动等。
在这些流动过程中，气体和液体之间的相互作用对流动特性产生重要影响，因此研究气液两相流动变得至关重要。
通过实验和数值模拟，研究人员可以更好地理解气液两相流动的基本规律。
实验方面，研究人员使用流速仪器、高速摄像机、压力传感器等设备来测量气液两相流动的流体性质、速度场和压力分布。
实验结果可以提供直观的数据和现象，但也受到实验设备和环境条件的一定限制。
数值模拟方面，研究人员使用计算流体力学（CFD）方法对气液两相流动进行模拟。
CFD模拟可以通过数学模型和计算方法来预测流动行为，但也需要一定的前提条件和计算资源支持。
在气液两相流动中，界面行为是一个重要而复杂的问题。
界面即气体和液体之间的分界面，决定了两相流动的相互作用和传递过程。
界面的形态和运动方式对整个流动系统具有重要影响，如界面的存在可以增大传质和传热速率，但也可能引起携带液滴的堵塞。
因此，准确描述和预测界面行为对于气液两相流动的研究至关重要。
除了界面行为，气液两相流动中的尺度效应也是值得关注的问题。
尺度效应是指流动尺度对两相流动行为的影响。
在微观尺度上，气液两相流动的界面张力和毛细力可能会显著影响流动行为。
而在宏观尺度上，流动的粗糙度、管道直径等因素也会对两相流动产生影响。
因此，研究人员需要综合考虑不同尺度下的两相流动机制，以获得全面的研究结果。
近年来，气液两相流动的研究也得到了更多的关注。
随着科学技术的不断进步，新的研究方法和工具不断涌现，为气液两相流动的研究提供了更多可能。
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2014年12月CIESC JournalDecember 2014第65卷第12期化工学报V ol.65 No.12气液两相流界面多尺度问题可计算性研究进展张文伟1，柯鹏2，杨春信1，周成龙1（1北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191；2北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191）摘要：气液两相流复杂多变的界面结构在瞬态时间上具有宽广的空间尺度范围。
界面多尺度问题涉及化工领域、核安全领域以及其他多个领域，其可计算性是当前国内外气液两相流领域的研究焦点之一。
分析了欧拉体系下处理气液两相流相界面不连续性的两种基本模型以及湍流模拟方法对界面结构的影响。
针对离散流界面尺度分布性和混合流界面跨尺度性两类多尺度问题，分析了可计算性研究面临的困境，将其归因于网格尺度的约束、几何及物理边界的缺失。
重点归纳了混合流界面跨尺度性问题的计算方法以及典型应用。
最后对气液两相流界面多尺度问题提出了应对策略及研究趋势，为此类问题研究提供有益的参考。
关键词：气液两相流；界面；多尺度；计算流体力学；可计算性DOI：10.3969/j.issn.0438-1157.2014.12.001中图分类号：O 359.1；O 242 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2014）12—4645—10 Progress of computability of multi-scale interface problems ingas-liquid two-phase flowZHANG Wenwei1, KE Peng2, YANG Chunxin1, ZHOU Chenglong1(1School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;2School of Transportation Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)Abstract:Gas-liquid two-phase flow has complex interface structures with a wide range of spatial scales in the transient time. The multi-scale interface problems are related to various fields, such as chemical engineering, nuclear safety, and so on. Computability of these problems is one of the research priorities. This paper analyzes basic models dealing with the discontinuity of phase interfaces in the Eulerian reference frame, and describes the influence relationship between turbulent simulation methods and interfaces. The difficulties of computability are analyzed for two types of multi-scale problems: scale distribution of interfaces in dispersed flows and cross-scale of interfaces in mixed flow. Two factors including the scale for computational grid and the loss of geometry and physical boundaries are concluded. The computing methods and typical applications in cross-scale of interfaces in mixed flow are summarized. The strategies and trends of the research on those multi-scale problems are proposed, providing useful guides for the research.Key words:gas-liquid two-phase flow; interface; multi-scale; computational fluid dynamics; computability引言气液两相流广泛存在于化工领域、核工业、生物系统以及自然现象中，其复杂多变的界面结构，在瞬态时间上具有宽广的空间尺度范围。
根据流动形态与界面尺度的关系，可将气液两相流分为3个2014-05-20收到初稿，2014-09-12收到修改稿。
联系人：柯鹏。
第一作者：张文伟（1984—），男，博士研究生。
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2012CB720100）。
Received date: 2014-05-20.Corresponding author: KE Peng, p.ke@Foundation item: supported by the National Basic Research Program of China (2012CB720100).化工学报第65卷·4646·大类及若干小类：离散流（气泡流、液滴流、粒子流）、分层流（膜状流、环状流、水平分层流、喷射流）、混合流或瞬变流（气泡环状流、液滴环状流、气泡-液滴环状流、搅拌湍流、段塞流）[1]。
界面多尺度通常涉及两个方面的问题：离散流界面的尺度分布性和混合流界面的跨尺度性。
除了实验之外，计算流体力学（CFD）是研究气液两相流的有效工具，有助于理解物理层面的流动机制并为工程应用提供流动相关的分布型数据。
因此，界面多尺度问题是否具有可计算性，即在有限计算资源基础上通过有限计算时间或有限计算步数得到有效计算解，近年来成为国内外气液两相流领域的研究焦点之一。
1 相界面与基本模型两相流物理现象的数学描述经历了宏观层次的经典力学方法、介观层次的格子Boltzmann方法、微观层次的统计分子动力学的直接Monte Carlo方法。
其中经典力学描述方法基于连续介质假设，两相中的连续相采用欧拉描述体系，第二相（离散相）的描述则存在欧拉和拉格朗日两种体系。
在拉格朗日体系下能相对容易地描述出离散粒子的运动学和动力学行为，且近年来在气液两相流界面多尺度问题方面，也有一些关于欧拉-拉格朗日和欧拉-欧拉两种方法耦合应用的研究报道[2-6]。
尽管如此，相对于欧拉体系，拉格朗日体系存在两点不足：模型无法给出几何意义上的气液界面；在工程应用中涉及大量离散粒子的模拟，对计算机硬件和软件的要求很高。
因此拉格朗日体系下的基本模型及其研究进展在此不作分析。
相比于单相流，相界面拓扑形状变化的物理现象是两相流的独具特征，相界面的存在及不连续性的数学描述是两相流数值模拟面临的最大困难。
在欧拉体系下处理气液两相流相界面不连续性的基本模型存在以下两种。
一种是基于平均场的欧拉双流体模型（two-fluid model，TFM），可为解决小尺度界面（小于网格尺度）不连续性问题提供一种有效方法。
在TFM中，界面尺度受到平均化处理的限制，须小于单元控制体的尺度，且界面以平均物理尺度隐式的表征，无显式的几何界面。
模型在数学方程的源项中添加相间作用项，补充物理边界信息以弥补平均场导致的局部信息的丢失。
然而相间作用项均依赖于经验公式，从而导致模型封闭关系具有不确定性[7]。
同时物理边界与界面尺度密切相关，而在TFM中描述物理边界的数学模型常采用Sauter平均直径，无法表现界面尺度的分布性。
尽管有研究[8-9]将平均直径与流动参数（液表面张力、液密度、液黏度、气速度、气密度、重力）关联起来，但关联表达式依赖于实验获得的经验公式。
因此，TFM在处理界面多尺度问题时存在本质的不足。
另一种是基于标识函数的界面捕捉模型（interface-capturing model，ICM），是处理大尺度界面（远大于网格尺度）不连续性问题的有效方法。
欧拉体系下的VOF[10]和Level Set[11]为当前两种主流的ICM；同时将拉格朗日体系下MAC和Front-Tracking等模型称为界面追踪模型（interface-tracking model），由于计算量大及难以应用于复杂界面拓扑变化等特点，在此不作介绍。
在ICM中，界面尺度受到界面构造处理的限制，须大于单元控制体的尺度，且界面是以空间几何尺度显式的表征，无隐式的物理尺度表征。
ICM直接从原始的NS方程出发，采用标识函数统一系统方程的描述，避开了平均场的处理，没有人为地丢失系统信息。
但模型中气液速度共场的处理使其在相间作用的描述上突显不足，在界面处相间速度差较大时，需要补充气液界面摩擦力。
另外，从湍流角度出发，相界面多尺度现象通常源于两相流中各相物理量的湍流脉动或多尺度涡，湍流涡的处理对界面结构模拟有重要的影响。
根据湍流数值模拟对不同尺度的涡的处理方法，Bestion[12]提出相界面相应地分为3大类：确定型、统计型、过滤型。
基于直接数值模拟方法的相界面通常为确定型。
基于大涡模拟方法的相界面依据涡的过滤尺度与界面尺度的大小关系可为确定型、统计型或统计过滤混合型。
基于雷诺平均方法的相界面通常为统计型界面，此时涡的多尺度效应被平均场取代，受涡影响的界面运动与变形以统计形式出现。
出于计算机资源的考虑，目前直接数值模拟法和大涡模拟法难以应用于工程尺度，基于雷诺平均方法的气液两相流处理方式仍然是主流的选择。
值得强调的是，在雷诺平均体系下，不管采用何种两相流模型，得出的界面均为统计意义上的界面。
2 界面多尺度问题可计算性困境离散流界面尺度分布性问题通常源于离散粒子（小尺度气液界面）的聚并和破碎效应。
TFM简化了小尺度气液界面的几何边界描述，然而模型缺失描述粒子的聚并和破碎效应的物理边界。
而对大第12期张文伟等：气液两相流界面多尺度问题可计算性研究进展·4647·量不同尺度的粒子运动行为分别建立独立的描述方程显然不切实际，基于数密度函数的粒子群组平衡方程为粒子聚并和破碎等物理边界的描述提供了数学上的可行性[13]。