固液两相流模型
液固两相流体力学的基础理论与应用
液固两相流体力学的基础理论与应用概述液固两相流体力学是研究液体和固体之间相互作用和运动规律的一门学科。
它主要涉及流体的力学性质、流体的运动规律以及流动介质的相互作用等方面内容。
本文将介绍液固两相流体力学的基础理论和应用。
基础理论流体力学基础液固两相流体力学起源于流体力学的基础理论。
流体力学是研究流体静力学和流体动力学的学科。
其中，静力学研究流体在静止状态下的力学性质，动力学研究流体在运动状态下的力学性质。
在液固两相流体力学中，需要研究流体在流动状态下与固体之间的相互作用，以及固体对流体流动的影响。
液固两相流模型液固两相流模型是研究液体和固体之间相互作用的数学模型。
其中，最常用的模型有欧拉-拉格朗日两相流模型和欧拉-欧拉两相流模型。
•欧拉-拉格朗日两相流模型：欧拉描述了流体的宏观运动规律，拉格朗日描述了固体的微观运动规律。
该模型将流体和固体描述为两个不同的参考系，通过求解两个参考系中的运动方程来研究液固两相流的运动规律。
•欧拉-欧拉两相流模型：该模型将流体和固体都描述为宏观参考系中的连续介质，通过求解两种连续介质的运动方程来研究液固两相流的运动规律。
该模型适用于流体与固体之间有明显相互作用的情况。
流态和相态的判定在液固两相流体力学中，流态和相态的判定是研究的重点之一。
流态指的是流体流动的状态，可以分为层流和湍流两种。
相态指的是流体在液相和气相之间的转变状态，可以分为液相、气相和两相共存三种。
•层流：流体在流动过程中，流线之间是平行且不交错的，流体粒子的相对运动是有序的。
层流流动的条件是：粘性力占主导地位，流速较低，管道直径较小。
•湍流：流体在流动过程中，流线之间交错和混乱，流体粒子的相对运动是无序的。
湍流流动的条件是：惯性力占主导地位，流速较高，管道直径较大。
•液相：流体以液态存在，分子间相互作用力较大。
•气相：流体以气态存在，分子间相互作用力较小。
•两相共存：流体中同时存在液相和气相。
应用液固两相流体力学的研究和应用涉及众多领域，下面介绍其中几个重要的应用。
油气井流体力学教学课件固液两相流动
固相颗粒的大小和种类多 样，使流动变得复杂多变。
固液两相流动常常出现不 均匀分布的情况。
3 相互作用
固相颗粒会对液体产生阻 力，影响流动的速度和特 性。
固液两相流动的数学模型
固液两相流动的数学模型包括连续介质方程、动量方程、能量方程等，用于 描述流体和颗粒之间的相互作用。
固液两相流动的基本特性
固液两相流动的基本特性包括固相体积分率、固相颗粒大小、固相颗粒的种 类和性质，以及两相流动的分类和性质。
固液两相流动的流态
固液两相流动存在不同的流态，包括静止态、层流态、不稳定态等。流态的转换是固液两相流动研究的重要课 题。
固液两相流动的基本性质
固液两相流 计算方法等。
固液两相流动的应用
固液两相流动在石油工程中有着广泛的应用，例如油井压裂、泥浆循环等。此外，固液两相流动的研究也为其 他工程领域提供了重要的参考。
结论
通过学习固液两相流动的基本理论，我们可以更好地理解油气井中流体的运 动规律，并为提高油气井的生产效率做出贡献。展望未来，固液两相流动的 研究将在石油工程中发挥更重要的作用。
油气井流体力学教学课件 PPT固液两相流动
油气井流体力学教学课件PPT：固液两相流动. 介绍固液两相流动，数学模型， 基本特性，流态和应用。
什么是固液两相流动
固液两相流动指的是同时存在固体微粒和液体的流动现象，常见于石油工程中的油井中。
固液两相流动的特点
固液两相流动具有以下特点：
1 复杂性
2 非均匀性
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。
多级矿用泵的固液两相流数值计算
多级矿用泵的固液两相流数值计算工作面尾缘处的流动分离有明显的抑制作用，一定程度上可以提高扬程。
两相流数值计算中，叶轮和导叶中的静压、相对速度、流线等物理量呈中心对称分布，与单相数值计算相比，粒子的存在没有从根本上改变物理量的分布规律。
一、引言矿用潜水电泵是将泵和电机连成一体，共同潜入水中工作的机组。
矿用潜水泵实际抽送的是固液混合的两相流介质[1-2]，而传统矿用潜水泵的水力设计大多是建立在单相流理论上的经验设计。
由于实际应用中输送的介质为固液混合的二相流体，造成了单相流理论设计的矿用潜水泵存在运行效率低、寿命短等问题。
由于固液两相流泵抽送介质的千差万别，两相流流动的问题十分复杂。
奥布雷恩在1937年通过大量的实验研究，提出了砂水混合物在叶轮内运动的物理模型。
张维聚、马振宗、陈涟等分别通过理论分析和实验究探讨了固体颗粒的浓度、比重、粒径分布及粘性对清水泵性能的影响。
梁跃等[3]通过二相流理论进行矿用潜水泵的设计，一定程度解决了粒子对二相流湍流结构的影响问题。
在这些研究的基础上，本文采用ANSYS CFX软件，对多级矿用潜水泵在设计点工况下进行数值计算，探索不同的泵进口固体相浓度、不同固体相颗粒大小对泵性能的影响，分析其两相流场的分布规律。
二、几何模型本文选取BQS20-30×06-55型矿用泵作为研究对象。
对该泵进行三维建模，并对其在设计点工况下进行数值计算，探索不同的泵进口固体相浓度、不同固体相颗粒大小对泵性能的影响并与试验结果进行对比，分析其两相流场的分布规律及其对泵外特性能的影响。
三、数值计算方法3.1控制方程本文在模拟固液两相流动过程中认为液相是连续流体相，固相作为离散固体相，采用Particle离散模型，即欧拉——欧拉多流体模型来描述固液两相流之间的相互作用。
控制方程对液相的湍流模型采用Standard k-ε双方程模型，固相采用零方程模型，在计算域进口基本相为水，第二相为离散固体。
液--固两相流
液--固两相流作为一个新兴的力学分支，液--固两相、气—固两相及气--液两相流动。
一起被统称为两相流体力学。
作为两相流体中的一种类型，液--固两相混合物广泛地存在于自然界及能源、化工、石油、矿业、建筑、水利、轻工、冶金、环保等各个领域。
尤其近年来，随着科学技术的迅猛发展，新材料、新技术、新工艺的出现，液--固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。
液-两相流的应用1.固体颗粒的水利输送传统的管道输送技术的应用范围很有限，输送天很短，输送的介质仅限于粒径非常细小的煤粉。
但是自从50年代以来，水利输送技术有了很大的发展，其应用范围也越来越广，输送距离也由工厂或者工地内部的短距离扩散道上千里的长距离输送。
2．石油钻井中钻屑的运移在石油钻井施工中，循环泥浆的主要作用是清除井底和钻头上的钻屑并将其输送到地面。
合理地设计泥浆以及各流动参数，使之既能保证钻屑的正常远移又能有效地保护井壁和油层，是钻井工艺中的技术关键，同时也是一个非常复杂、难度极大的非牛顿液一固两相流体力学问题。
近年来，钻井界的有识之士已充分意识到钻屑运移规律的研究现状与先进的钻并工艺技术之间的尖锐矛盾，井呼吁尽快开展有关方面的研究，建立既有严格的理论依据又与实际情况相符的模型与方法。
3．油层水力压裂工艺中支撑剂的运移在石油工业中，水力压裂液的性能、支撑剂随压裂液在裂缝中的运移及分布是影响压裂效果，甚至是关系到压裂成败的关键。
目前生产中所使用的压裂液为：各种高分子聚合物溶胶；泡沫压裂液；油基压裂液。
这些压裂液均具有较强的非牛顿流变性。
作为支撑剂的固体颗粒一般为砂子、核桃壳等。
显然，支撑剂在裂缝中运移、分布的研究属于非牛顿液--固两相流动范畴。
液--固两相混合物的分类由于液--固两相混合物的组成、内部结构及状态的复杂性，至今尚无统一的分类标准。
目前研究者们根据各自的观点所提出的分类方法主要有如下四种：1.牛顿型均匀混合物2.非牛顿悬浮体3.牛顿液—固两相混合物4.非牛顿液—固两相混合物液--固两相流模型液--固购相流与气--固两相流在微观结构、相间作用及颗粒相运动机理等方面有许多共同之处。
化工装置中两相流模型的建立
化工装置中的两相流模型的建立摘要：通过文献调研，本文重点分析了大涡模型在离心泵两相流中的应用。
较为详细的概述了模型的建立以及边界条件的确定和求解方法。
关键词：文献调研、大涡模型、边界条件前言两相流动是流体力学中一门重要的分支学科，它在很多现代工程技术甚至医学中得到广泛的应用。
可以认为，绝大多数的流动都是多相流动，纯粹的单相流动只是个别情况。
降雾，下雨、下冰雹、云层流动、流沙、尘暴等是自然界中两相流动的一些例子。
各种发动机和窖炉中的喷雾燃烧、核反应堆的冷却、宇航飞行器的两相绕流、含铝推进剂固体火箭发动机中的燃气流动、石油和天然气的开采和输运、热力设备与制冷系统的工作过程、化学工艺中的流态化、吸收、蒸发、凝结和化学反应过程、采矿和冶金过程中的旋流分离和输运、气力和液力输送、煤的气化和液化、煤粉和煤浆燃烧、空气和水的污染、环保、粉尘爆炸、血液的循环与凝固、水利工程中的泥沙运动和高速渗气流等工程实际问题无不与两相流动有关。
离心泵是化工生产中最常见的装置之一，泵内流体的运动以及流体对泵的的磨蚀尤为突出，而两相流动的研究就是为设计泵以及如何防止这些机械磨蚀产生的基础和关键性的内容。
近几年，两相流动己发展到与可压缩流体力学及边界层理论有同等重要的地位。
因此固液两相流动及多相流动的研究不仅对流体力学的发展，而且对解决工程中的实际问题具有重大的理论价值和实际意义。
下面就离心泵叶轮内高浓度液-固两相湍流的大涡模拟为例阐述化工装置中两相流数学模型的建立、边界条件的确定以及求解方法的选择。
湍流大涡数值模拟（LES）是有别于直接数值模拟和雷诺平均模拟的一种数值模拟手段。
利用次网格尺度模型模拟小尺度湍流运动对大尺度湍流运动的影响即直接数值模拟大尺度湍流运动，将N-S方程在一个小空间域内进行平均（或称之为滤波），以使从流场中去掉小尺度涡，导出大涡所满足的方程。
1 大涡模拟1.1 大涡模拟的基本思想湍流运动是由许多尺度不同的旋涡组成的。
固液泵的两相流动
单圆弧型线, 双圆弧型线的中间圆半径 rΑ 的
大小对其本身有较大影响, 选用 rΑ= [ r1 r2 + 0. 5 ( r1+ r2) ] 2作为中间圆半径时, 这 时双圆弧和变角螺线较接近。变角螺线由于 符合叶轮中介质的运动迹线, 是最理想的型 线。
根据固液流动分析, 吸水室进口直径计 算式
D 0=
例, 分析叶轮中固液两相速度场, 液相相对 运动方程为
固液泵系指煤水泵、 渣浆泵等用于固体 物料水力输送的叶片泵, 在煤炭、 冶金及电 力等行业被广泛应用。按均质—相流论设计 的固液泵在抽送固液混合流体时效率普遍偏 低, 工作寿命短, 造成了能源和设备的大量 浪费。本文对固液泵内两相流动作了理论分 析。由两相流相对运动方程导出固液泵的基 本方程式, 并与清水泵的基本方程作了比较, 应用于离心泵的设计中, 推导出固液泵的两 相流设计计算式。
圆周分量
式 (8) 是固液泵的基本方程式, 是泵的
两相流设计的理论依据。这和清水泵的设计
理论既有一定的联系, 又有本质的区别。若固
液两相速度场相同, 则式 (8) 为
H T = (u2vu2- u1vu1) g n
(9)
上式是清水泵的基本方程式。以往用清 水泵的设计理论来设计渣浆泵、煤水泵等, 其 实质就是把固液两相流体作为单一流体流动 模型来考虑。由于泵内固液两相始终存在不 同的速度场, 采用单一流体流动模型设计的 泵的叶型和流道不能适应能量最有效的转 换, 使流道内流动状态恶化, 造成泵的效率 低, 使用寿命短, 运行噪声大, 振动大。研究 泵的两相流动设计, 使之与实际运行条件相 适应, 是提高固液泵性能的根本途径。
实践表明, 两相流理论设计原理考虑了 泵中固液速度比的变化规律, 符合泵的工作 条件, 可有效地转换能量, 防止泵过流件的 局部高速磨蚀破坏, 使固液泵高效节能, 耐 磨长寿。
9_固液两相流动分析
9_固液两相流动分析固液两相流动是指固体颗粒悬浮在流体中并随流体运动的现象。
这种流动现象在工业生产过程中普遍存在，例如颗粒床干燥、固液混合搅拌等。
准确地分析和掌握固液两相流动的基本特征对于改进工业生产过程的效率和品质具有重要意义。
本文将从物理特性、固液两相流动模型和数值模拟三个方面进行详细分析和探讨。
固液两相流动的物理特性是理解和研究该现象的基础。
流体的物理特性主要包括粘度、密度和表面张力，而固体颗粒的物理特性主要包括粒径、形状和硬度。
这些特性决定了固液两相流动的行为和性质。
例如，在粘度较大的流体中，颗粒强烈地与流体互动，形成较稠密的颗粒床；而在粘度较小的流体中，则可能形成颗粒的分散悬浮态。
颗粒的粒径和形状会影响颗粒与流体的相互作用，从而影响流动行为。
硬度则决定颗粒在流体中的磨损和碎裂情况。
固液两相流动的模型是描述和预测流动特性的理论工具。
最常用的两种模型是连续相模型和离散相模型。
连续相模型将固液两相看作连续介质，通过求解连续介质的连续性方程、动量方程和能量方程来描述流动。
此模型适用于颗粒浓度较低和流体粘度较大的情况。
离散相模型则将流体和颗粒看作离散的个体，通过追踪个体之间和个体与容器之间的相互作用来描述流动。
此模型适用于颗粒浓度较高和流体粘度较小的情况。
这两种模型常常结合使用，以更好地反映实际情况。
数值模拟是对固液两相流动进行分析和预测的主要方法之一、数值模拟采用数值方法求解连续性方程、动量方程和能量方程，以获得流动过程中的流速、颗粒分布、浓度和温度等信息。
常用的数值模拟方法包括有限体积法、有限元法和粒子法等。
这些方法在不同的场景下有不同的优势和适用性。
例如，有限体积法适用于颗粒浓度较低且流体流速较慢的情况，而粒子法适用于颗粒浓度较高且流体流速较快的情况。
数值模拟可以提供细致的流动特性分布，辅助工程设计和优化。
总之，固液两相流动是工业生产中常见的流动现象，对其进行准确的分析与研究具有重要意义。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
固液两相流模型
固液两相流模型是研究固体颗粒在液体中运动和传递的流体力
学模型。
在工程领域中，固液两相流模型被广泛应用于颗粒输送、颗粒分离、颗粒沉降等过程的设计和优化。
本文将介绍固液两相流模型的基本原理、常用模型和应用领域。
固液两相流模型的基本原理是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本方程。
在固液两相流中，固体颗粒和液体之间存在着相互作用力，包括颗粒与颗粒之间的相互作用力和颗粒与液体之间的相互作用力。
这些相互作用力会影响颗粒的运动和传递过程。
在固液两相流模型中，常用的模型包括离散元模型（DEM）、多相流模型和颗粒流模型。
离散元模型是一种基于颗粒之间相互作用力的模型，通过追踪每个颗粒的运动和相互作用，来模拟固液两相流的行为。
多相流模型是一种基于连续介质假设的模型，将固体颗粒和液体视为连续介质，通过求解连续介质的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，来模拟固液两相流的行为。
颗粒流模型是一种介于离散元模型和多相流模型之间的模型，将颗粒视为离散元，将液体视为连续介质，通过求解离散元的运动方程和连续介质的守恒方程，来模拟固液两相流的行为。
固液两相流模型在许多领域中有着广泛的应用。
在矿山工程中，固液两相流模型被用于研究矿石的输送和分离过程，以提高矿石的回收率和降低能耗。
在化工工程中，固液两相流模型被用于研究颗粒在反应器中的运动和传递过程，以提高反应器的效率和产品质量。
在环境工程中，固液两相流模型被用于研究颗粒在水体中的沉降和悬浮过程，以评估水体的污染程度和设计水处理设备。
总之，固液两相流模型是研究固体颗粒在液体中运动和传递的流体力学模型。
通过基本原理和常用模型，可以模拟和预测固液两相流的行为。
固液两相流模型在工程领域中有着广泛的应用，可以用于颗粒输送、颗粒分离、颗粒沉降等过程的设计和优化。