多相流基础第二章 固体颗粒的传输
多相流基础 chapter 2-two-phase flow patterns and flow pattern maps
Tip：the types of flow patterns increase in heating channel when heat flux increases.
6、Flow patterns in horizontal tubes， heating up flow（水平管内两相流型，加热流 ）
（1）Bubbly flow（泡状流）
Liquid phase is the continuous phase Gas or vapor phase is the dispersed phase Gas or vapor bubbles are of approximately uniform size.
5、Flow patterns in vertical upward tubes ——gas and liquid phase both flowing upwards，heating up flow（垂直上升管内的流型 —— 气液两相均向上流 ，加热流）
Heat addition Phase change More complicated than adiabatic flow The evolvement of flow patterns are greatly affected by the heat flux（热流密度）
（4）Annular flow（环状流）
Gas flows in the center of the tube
Liquid partially flows as an annular film on the walls of the tube Liquid partially flows as small droplets distributed in the gas flowing in the center of the tube
大气表面层气-固颗粒两相流的大涡模拟
大气表面层气-固颗粒两相流的大涡模拟大气表面层气-固颗粒两相流的大涡模拟引言：随着科技的不断发展，气-固两相流模拟已经成为研究气候变化、空气质量等大气问题的一种重要方法。
在大气表面层，气-固两相流的运动现象非常复杂，需要借助先进的数值模拟方法来研究。
本文将介绍大涡模拟这一常用的方法，并探讨其在大气表面层气-固颗粒两相流研究中的应用。
一、气-固颗粒两相流的特点大气表面层气-固颗粒两相流是一个复杂的多相流现象，涉及气体与固体颗粒之间的相互作用。
在大气表面层，气体一方面受到地面的辐射、热对流等作用，另一方面还要承受固体颗粒的碰撞、输送等作用。
而固体颗粒则在气流的冲击下发生分散、聚集等运动。
二、大涡模拟方法大涡模拟是一种求解大涡模型的数值模拟方法，适用于研究粗粒度涡动结构。
它以较大尺度上的涡旋为研究对象，通过模拟其演化过程来探究流体的物理行为。
与传统的雷诺平均纳维-斯托克斯方程相比，大涡模拟能够更好地模拟湍流流场的结构和特性。
三、大涡模拟在气-固颗粒两相流中的应用在大气表面层气-固颗粒两相流研究中，大涡模拟方法得到了广泛的应用。
首先，大涡模拟能够有效地模拟气流中的湍流结构，从而研究气-固颗粒在气流中的运动和输运行为。
其次，大涡模拟还可以用于研究气-固颗粒之间的相互作用，包括颗粒的沉降、聚集、碰撞等过程。
最后，大涡模拟还可以模拟大气表面层中的气-固颗粒的输运过程，对于研究颗粒的输送距离、浓度分布等具有重要意义。
四、案例研究以研究大气表面层的颗粒污染物扩散为例，利用大涡模拟方法可以模拟大气湍流结构中的颗粒运动情况。
首先，通过模拟湍流气流的运动，得到湍流结构的分布和变化规律。
然后，在此基础上引入颗粒模型，模拟颗粒在湍流气流中的输运行为。
通过对模拟结果的分析，可以得到颗粒的浓度分布、输送距离以及颗粒与气流之间的相互作用等重要信息。
结论：大涡模拟方法在大气表面层气-固颗粒两相流研究中具有广阔的应用前景。
它能够很好地模拟气流中湍流结构的演化过程，并揭示气-固颗粒之间复杂的相互作用。
多相流体力学在化工工程中的应用
多相流体力学在化工工程中的应用引言多相流体力学是研究多种相（例如气体、液体、固体颗粒等）同时存在和相互作用的流体系统的力学行为的学科。
在化工工程中，多相流体力学的应用非常广泛。
本文将介绍多相流体力学在化工工程中的应用领域以及相关的研究方法和技术。
多相流体力学的概念和基本方程多相流体的概念多相流体是指在空间和时间上具有两种或更多种不同相态的流体体系。
常见的多相流体包括气体-液体、固体颗粒-气体等组合。
在化工工程中，常见的多相流体包括气液两相流、固体颗粒悬浮在气体或液体中的流动等。
多相流体力学的基本方程多相流体力学的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。
这些方程描述了多相流体中各相的质量、动量和能量传递规律，是多相流体力学研究的基础。
多相流体力学在化工工程中的应用气液两相流气液两相流是化工工程中最常见的多相流动形式之一。
例如，在化工反应器中，气体通过液体介质进行传质和反应。
多相流体力学可以用来描述气液两相流的流动行为，例如气泡和液滴的生成、运动和破裂等。
固体颗粒悬浮流在化工工程中，常见的固体颗粒悬浮流包括气力输送、颗粒床流动等。
多相流体力学可以用来描述固体颗粒在气体或液体中的悬浮、传输和分离等过程。
这对于化工反应器中的固体催化剂的运行和废水处理中的颗粒沉降等都具有重要的应用价值。
多相流体的输运和反应多相流体的输运和反应是化工工程中另一个重要的应用领域。
多相流体力学可以用来描述固相物质在流体中的输运和反应过程，例如化工反应器中的固液两相反应和反应物的传递等。
多相流体力学模拟和实验研究方法多相流体力学的研究方法包括理论模拟和实验研究两个方面。
理论模拟主要使用数值方法对多相流体力学方程进行求解，例如使用计算流体力学（CFD）方法对多相流体的流动进行模拟和预测。
实验研究主要基于实验装置对多相流体的流动行为进行观测和分析，例如使用高速摄像技术对气泡和液滴的生成和运动进行实时观测。
结论多相流体力学在化工工程中具有重要的应用价值。
多相流动的物理学原理
多相流动的物理学原理多相流动是一种涉及到两种或更多不同物质相互作用的物理现象，例如气体和液体、液体和固体等。
在复杂的多相流动现象中，物理过程是非常多样，以至于这些过程经常非常难以预测和模拟。
因此，多相流动涉及到多种物理学原理，其中包括分子流体力学、传热、传质、相变、乳化、与界面作用等。
分子流体力学在多相流动的系统中，分子的流动非常重要。
分子流体力学是研究分子在多相流中运动的学问。
它提供了描述流体的一般数学框架，并采用各种偏微分方程建立该流体的数学模型。
这些数学模型可用于预测多相流动的速度、温度、密度和压力等，然而，这些模型建立在一定控制方程与确定的物理机制的基础之上。
因此，分子流体力学都应该用来描述不同类型的多相流动问题，例如气体和液体、带电颗粒和气体或液体等。
其中，颗粒和介质之间的物理相互作用是该领域主要的研究内容。
传热在多相流动中，传热是一种重要的能量传递方式。
在热力学热机中，只考虑单相（气体或液体）流动中的传热，且往往满足强迫传热条件。
但是，在多相流动中，由于存在不同相之间的传热机制，因此传热分布非常不均匀，且往往是被动传热条件。
例如，沸腾和蒸发是多相流动中最常见的两种被动传热状态。
在沸腾中，热量被转移至液态和气态之间，以产生蒸汽和汽泡并生成分泡蒸汽。
而在蒸发中，热量被转移至液体和气体之间，以产生气态，液态就不复存在了。
传质在多相流动中，传质是一种重要的物质传递现象。
传质是指不同相之间物质的扩散、迁移和交换过程。
在很多实际问题中，不仅需要预测多相流动中液态、气态中的传质，还需要考虑颗粒与介质之间的传质。
例如，在剖面显示的粉尘输送管中，人们需要预测粉尘和气态颗粒的运动和分散，以及它们在截面的分配情况。
这就需要从多相流动的传质方面进行考虑和流体力学模拟。
相变在多相流动中，相变是一种重要的物理现象，它涉及到不同相之间的转换和状态变化。
其中，最常见的相变是液态向气态的转变（蒸发）。
在多相流动中，在气液相变点，介质将被带到气态或液态，其环境条件符合饱和条件。
流体流动中的多相与多相界面问题
流体流动中的多相与多相界面问题1. 引言在流体力学中，多相流是指由两种或两种以上的不同物质组成的流体体系。
多相流与多相界面问题是流体力学中的一项重要研究内容，涉及到多种不同类型的流体流动现象。
本文将介绍流体流动中的多相与多相界面问题的基本概念、数学建模方法以及一些常见的应用案例。
2. 多相流的基本概念多相流是由两种或两种以上的物质混合组成的流体系统，常见的多相流包括气固流、气液流、液固流等。
在多相流中，不同相的物质之间存在着相互作用，包括质量传递、热传递、动量传递等。
多相流的研究对象通常是液滴、气泡、颗粒等。
在多相流中，流体的运动状态可以由流场描述，液滴、气泡等界面的形状可以由界面动力学描述。
多相流中的界面问题是多相流研究的核心内容之一，涉及到界面的形态变化、破裂、聚合等现象。
3. 多相流的数学建模方法多相流的数学建模方法是研究多相流问题的基础。
常见的多相流数学模型包括欧拉模型、拉格朗日模型、体积平均模型等。
欧拉模型将多相流体系统视为连续介质，通过求解连续流体动力学方程来描述流动现象。
拉格朗日模型则将多相流体系统视为微观粒子集合，通过跟踪单个粒子的运动轨迹来描述流动现象。
体积平均模型则将多相流体系统视为混合流体，通过求解守恒型平均方程来描述流动现象。
在数学建模过程中，需要考虑多相流体之间的相互作用、界面形态变化以及质量传递、热传递、动量传递等过程。
根据具体的问题和研究对象，可以选择适合的数学模型进行建模。
4. 多相流的应用案例多相流的研究应用涉及到多个领域，包括化工、能源、环境等。
下面将介绍一些常见的多相流应用案例。
4.1 气固流气固流是一个重要的多相流研究领域，涉及到颗粒的悬浮、传输和沉降等问题。
气固流在化工产品生产中起着重要作用，如颗粒输送、气固分离等过程。
4.2 气液流气液流是包含气体和液体两相的流体系统，多见于化工过程。
气液流的研究包括气泡的形成、尺寸分布、上升速度等问题。
气液流的研究对于液相反应的效率、混合与分散、质量传递等过程具有重要的影响。
第二章 气固两相流动的流型
• 目前，流型辨识有：直接测量。这些算法 由于受各种因素的影响，造成流型判别不 准。如：功率谱密度函数分析法 、模糊神 经元网络辨识 等等
2.3.1 水平管道内的流型 当通过管道的气流速度由高速向低速变化时，会 出现以下几种流型。 1. 均匀流 当空管速度比经济气流速度高出许多，即气流速 度为高速紊流时，颗粒群在气流中飞翔跳跃、悬 浮输送，而且在管道的所有截面均匀分布。 2. 疏密流 随着空管速度的降低，但仍高于经济气流速度， 重力的影响显著起来，颗粒群在气流中呈上下疏 密不一的非均匀分布，大部分颗粒虽仍悬浮着输 送，但管底颗粒则是滚动跳跃向前推进。
流型是气力输运问题中的重要参数，它的 精确测量为气力输运的安全性和经济性提 供保障，特别是在阻塞时，这一特殊流型 是最易引发事故的。确定气固两相流的流 型对于其它流动参数的精确测量也是必要 的。
• 有许多关于流型研究的报告，文献探索了
压力波动信号与流型之间存在的某些关系， 但由于气固两相流流型的模糊性、不确定 性等流动过程中的复杂因素，使得流型的 在线测量到至今尚无比较有效的方法。
• 在电力工业中，大型电站锅炉燃烧系统中送粉管
道内煤粉－空气混合物是典型的气固多相流动， 其流速变化、浓度分布直接影响着锅炉各燃烧器 喷出射流的刚性，特别对于四角切圆燃烧锅炉就 会影响炉内空气动力工况，进而也决定了炉内燃 烧的稳定性和效率，因而非常有必要开发一种技 术对管内煤粉气流的流型进行有效的检测，以便 决定管内气固多相流动的状态，这样可以及时调 整锅炉燃烧系统风粉分配均匀性，防止管内发生 堵管现象，可以有效地提高发电机组的安全经济 性。
气固两相流动的流型
• 在工业生产过程中，将块状原料经过研磨而成粉粒体，采
用气力输送原料的粉粒体输送系统，可以大大提高输送效 率、减少污染、降低成本、提高质量。在冶金、化工、建 材、电力等部门已得到广泛应用。由于粉粒体具有与固体、 气体和液体不同的特性，受其湿度、粘附性的影响，加上 输送气体压力的波动、输送的煤粉流动状况不稳定，常会 出现管道“堵塞” 出现管道“堵塞”现象，造成输送系统瘫痪，从而影响正 常生产。通过研究流型辨识算法，对气固两相流流型进行 有效的预测和判别，对气力输送系统相关设备进行实时控 制，可以防止“堵塞” 制，可以防止“堵塞”现象的发生。
多相流体运动规律
多相流体运动规律引言多相流体是指由两个或两个以上相态的物质混合而成的流体，包括气液两相流、气固两相流、液固两相流等。
多相流体的运动规律是研究多相流体流动行为的基础，对于工程领域中的石油勘探开发、化工过程、环境工程等都具有重要的意义。
本文将介绍多相流体的运动规律，并重点讨论几种常见的多相流体运动模型。
多相流体运动方程多相流体的运动可以通过运动方程来描述，常见的多相流体运动方程有欧拉方程和拉格朗日方程两种。
欧拉方程是基于连续介质假设的，将多相流体视为连续介质，通过对质量守恒、动量守恒和能量守恒等定律的应用得到。
拉格朗日方程则是基于微观粒子的运动轨迹，将每个粒子的位置和速度作为变量，通过粒子的运动方程来描述多相流体的运动行为。
多相流体欧拉方程多相流体的欧拉方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程质量守恒方程描述了多相流体中各相的质量守恒关系。
假设多相流体由N个相组成，每个相的质量分数分别为αi，相速度分别为u i，则质量守恒方程可以写作：$$ \\frac{{∂(α_i ρ_i)}}{∂t} + ∇·(α_i ρ_i u_i) = 0 $$其中，ρi为相i的密度。
动量守恒方程动量守恒方程描述了多相流体中各相的动量守恒关系。
假设多相流体中每个相受到的总压力为p i，总应力张量为τi，引入相间压力p ij=−p j+p i和相间摩擦力τij=τj−τi，则动量守恒方程可以写作：$$ \\frac{{∂(α_i ρ_i u_i)}}{∂t} + ∇·(α_i ρ_i u_i u_i) = -∇p_i + ∇·τ_i + ∑_{j≠i}∇·(α_iρ_i u_i u_i p_{ij}) + ∑_{j≠i}[(α_i ρ_i u_i u_{ij})⋅n_{ij}]A_{ij} + \\sum_{j≠i} G_j $$其中，u ij=u i−u j，n ij为相间分界面的单位法向量，A ij为相间分界面的面积，G j为体积力项。
基于颗粒流理论的多相流动模拟技术研究
基于颗粒流理论的多相流动模拟技术研究一、引言多相流动是自然界中广泛存在的一种流态，包括固液两相、气液两相、气固两相、三相等多种形态。
多相流动的研究已经渗透到工程技术、材料科学、环境保护、生命科学等领域中。
颗粒流动是多相流动的一种，指固体颗粒在液体或气体中穿行的过程。
近年来，颗粒流动的研究重心不断向多相流动数值模拟技术的研究方向转移。
基于颗粒流理论的多相流动模拟技术应运而生，这项技术在大规模粒子系统模拟、固体颗粒与其他相的相互作用研究、磨损与磨料输送等方面具有广泛的应用前景。
二、多相流动的数学模型多相流动的数学模型基于守恒方程和物质方程，它们描述了质量守恒、动量守恒和热力学守恒等运动物理学基本规律。
多相流动常用的数学模型包括欧拉-拉格朗日方法和欧拉-俄罗斯方法。
1. 欧拉-拉格朗日方法欧拉-拉格朗日方法是通过追踪离散颗粒的运动轨迹，描述颗粒间相互作用力和颗粒与流体的相互作用力所涉及的多相流动本质规律的数学模型。
例如，颗粒运动的数学模型可以表示为流体流动的数学模型加上颗粒间相互作用力和颗粒与流体相互作用力所构成的泊松问题。
2. 欧拉-俄罗斯方法欧拉-俄罗斯方法是通过对多相流动中液滴和空气质点的反应进行动态求解，描述颗粒流动的数学模型。
这种方法是将流体看作连续介质，将液体分子视为一个整体来进行模拟。
三、基于颗粒流理论的多相流动模拟技术基于颗粒流理论的多相流动模拟技术的基本思路是采用微观尺度所涉及的颗粒的动力学行为，通过积分法或离散元数值方法，通过颗粒间力的作用，建立颗粒数密度和速度的动态演化方程。
1. 离散元方法离散元数值方法是一种把物体的应力分配到它的质点上，将物体离散成若干小质量颗粒的数值方法，它应用于多相流动模拟主要是指固体颗粒的运动，非常适用于模拟固体颗粒的流动和变形。
离散元方法适用于二维、三维和更高维数的多相流动模拟，适应颗粒流动中颗粒质量和形状变化较大的情况，是目前应用最为广泛的多相流动模拟方法之一。
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（4）透过法
根据流体通过填充床，流速与床层压差成线性变化原理设计
所测量的是比表面积平均粒度
测量范围在1-75μm
（5）激光粒度测法 利用颗粒群对于激光的散射特性采用Mie理论反演颗粒粒度
测量范围 0.005-3000μm
干法：>20μm，湿法：<20μm，不同材料颗粒采用不同弥散
―孔筛”：每平方厘米筛面上孔数目 例：4900孔筛，4900孔/cm2, 筛孔尺寸88μm 应用范围： 40μm～5cm
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（2）沉降法
测定固体颗粒在液体中的沉降速度，根据公式计算颗粒的粒
度
适用于细颗粒 <500μm； 根据不同颗粒特征（粒度、比重、可溶性、介电性等)，选 用不同的液体；
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第二章 固体颗粒的传输
§2－1 固体颗粒的性质
1、颗粒形状及其表示方法
附在火箭喷管上的Al2O3颗粒（电子显微镜）
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燃烧重油时产生的颗粒
（a)不完全燃烧；（b)完全燃烧
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1）形状指数
表示单一颗粒外形的各种无因次指数
可在颗粒上施加不同外力：重力，离心力，电磁力，组合
力场等； 检测方法：重量法，光学法，光通过法，X射线法等
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（3）显微镜法
直接观察和测量单个颗粒粒度
图象技术采用经显微校准的显微镜
光学显微镜：0.8-150μm 电子显微镜：0.001-5μm
计数方法： 人工，半自动，全自动等 扫描电镜，可给出特征粒度、面积、周边、分布表格等
剂
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2）颗粒粒度的表示方法
由颗粒形状、形成过程的多样性和测定方法的多样性决定
（1）单颗粒粒径的表述
球形颗粒：粒径 非球形颗粒：按不同用途采用不同表述方式 ① 定向径d1 与颗粒运动方向相垂直的尺寸、最大定向径或面积等分定向径
②多轴算术平均径d2与多轴调和平均径d2’
d2
C
6
1
颗粒群的卡门形状系数
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§2－1 固体颗粒的性质
2、颗粒粒度及其分布
颗粒粒度：表征颗粒尺寸大小的几何参数 球形颗粒——直径； 非球形——当量直径；
非均匀尺寸—— 粒度分布
典型颗粒尺寸: 流化床内煤粒 0 - 10 mm
粉煤燃烧
炭黑
0- 100μm
0 - 10 μm
xi
i 1
n
n
(n 8)
1 1 1 ' d2 n ...... x x xn 2 1
1
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③ 等面积球当量直径d3
d3
S
6V d4 S
1 3
④等比面积（当量）直径d4
⑤ 等体积当量直径d5
6V d5
颗粒形状
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（1）均匀度
根据三轴尺寸b、l、h之间的比值导出
长短度
e l b
偏平度
b f h
Zingg指数
lh e F 2 b f
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（2）充满度
体积充满度
lbh fv 1 V
fA lb 1 A
面积充满度
式中
V—— 颗粒实际体积 A —— 颗粒相应的投影面积
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（3）球形度Ψ
表示颗粒接近球形的程度
与颗粒体积相等的球体 表面积 1 实际颗粒的表面积
由于实际测量的困难，可采用实际球形度
' d0 1 d min
其中： dp —— 投影面积与颗粒相等圆的直径；
dmim —— 投影外接最小圆直径
(4) 圆形度Ψe
颗粒投影与圆接近程度
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例子分析： 气固系统中流动阻力问题
当1μm < dp < 100μm时，一般属于Stokes区
P udp
当dp>1000μm时，一般属于Newton区
2 P u 2 d p
当dp〈0.1μm时，一般属于均相区
P d
2 p
在常温常压下，空气平均自由程为0.1μm左右，可见光的 波长为0.5μm,三者具有相近的数量级
1.0
(3) 比表面形状系数 φ 其中
SV SV d p S 1.0 1 V dp
SV —— 颗粒比表面积，SV=S/V
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某些规则形状颗粒的形状系数
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(2) 卡门（Caman)形状系数 φC 在研究流体通过颗粒层等流体力学问题时，需用到卡门形状 系数
e
d 0
c'
0
圆形度
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2）形状系数
表示颗粒（群）性质和具体物理现象与单元过程间的函数关
系时，将与颗粒形状有关的诸因素概括为一个修正系数外
形的各种无因次指数 （1）体积形状系数φV (2) 面积形状系数 φS
V
V d
3 p
1.0
S
S d
2 P
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（3）颗粒群的粒度分布及其表示法
将颗粒群按一定的粒度范围以若干级别进行排序，构成颗粒群
的粒度分布 ① 分布曲线
频率分布
f f1 d
频率分布图
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① 分布曲线
累积分布 筛余累积分布 筛下累积分布
R f1 d
D f2 d
累积分布曲线
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① 分布方程 最简便、最完整的描述颗粒粒度方法 特点： 可用解析法求解各种平均粒径、比表面积等特性参数 能根据很少的测定数据推出分布规律
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1）颗粒粒度的测定
（1）筛分法
将固体颗粒连续通过相邻筛号的两层筛子后，残留在其间的
颗粒的粒度用该两个筛号尺寸的算术平均值 通常采用单位长度或单位面积上筛丝数或筛孔数表示。 “目”：表示每英寸长度内的标准筛丝数，相应筛孔尺寸固 定。
例：400目Tyler标准筛，筛丝直径25μm,筛孔尺寸 38μm
⑥Stokes（等效）直径d6
d6 18 ut g s f
（2）颗粒群粒径的表述
颗粒群各种平均粒径的计算方法
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颗粒群各种平均粒径的计算方法（续）
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各种不同方法表示的平均粒径所适应的机械、物理化学过程