两相流数值模拟(第5讲)-两相流数值模拟方法分类0420
两相流数值模拟(第4讲)-两相流数值模拟参数0420
Level Set函数就是为了实现对气－液相界面的追踪而引入的一个特殊 函数。通过特定的运算，Level Set函数的零等值面可准确地给出各个时刻 的气－液相界面位置。
1.2.2 常规参数
快关阀方法中，为已知 量
(1 ) QL / Q QL /(QG QL )
x /[x (1 x)G / L ] (1 ) (1 x) /[(1 x) xL / G ]
1.2.1 相分布参数
5. 相函数F：
相函数F表示两相流中气体（液体）相的体积（在二维空间中，对应的参数是 面积；在三维网各种对应的参数是体积）在局部单个网格区域中所占据的份额。
浓度参数是一种与空间位置和时间有关的分布参数。
1.2.1 相分布参数
２. 容积含气率(Volume Fraction of Gas) 和 截面含气率：
其含义与上述“浓度”参数的类似。
主要用于描述多相流中气体相的分布，表示气体相的体积在计算区域中
所占据的份额，也叫空泡率(Void Fraction)。
不是一个新 概念。
Mk ( , x) 1 Mk ( , x) 0 Mk ( , x) 1,
( , x) k相，k 1 ( , x) k相，k 2 Mk ( , x) 0, ( , x) 相界面，k 1或2
（5）相函数F和“相密度函数”，均是一种介质指针，在早期的MAC （Marker-And-Cell）方法里应用过。
QG和QL可分别表示为：
QG WG / G QL WL / L
1.2.2 常规参数
有实际物理意义
6. 气相真实流速UG和液相真实流速UL
两相流数值模拟(第10讲)-LB方法及其应用0420
Lattice-Boltzmann (L-B) 方法及其应用
汽－液两相流界面描述方法的分类
PIC方法
界面追踪（Front Tracking）类方法 FLIC方法
MAC方法
连续介质模型
界面捕捉(Front Capturing)类方法 混合Eulerian Lagrangian方法
二、细胞自动机方法
2. 1 细胞气自动机方法的基本思想
现规定演化规则:——如果某一点的左右两点 f(x，t)之值相同，则下一时刻 (t=2)时该点的 f(x,t)取为 0；若相异，则取为 1(“相同取 0，相异取 1”)。根据 这条规则，由 t=1 时的状态及边界条件可以自动地进入到 t=2，t=3，…，即可 以自动地演化下去(此即自动机一词的原意)，这就构成了一个细胞自动机。
一、引言
(二) 分子层次
最近10余年内迅速发展起的分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation，MDS)，就是分子层次的研究方法。
这种方法由于需要对由大量分子组成的研究对象中的每一个分子作 出其力学行为的描述与计算，因而所需的计算机内存较大，目前还无法 应用到复杂流场的计算中。但对某一些问题，如相界面行为的模拟、导 热问题、稀薄气体的流动和传热等，已经取得了令人瞩目的成果。
迄今为止，前面所讨论的流动问题的数值计算方法都是 建立在连续介质力学模型基础上。
从方法论的角度，流体及其运动特性的描述可以从三个 层次上来进行，即
(一)宏观的层次； (二)分子层次； (三)介观层次。
一、引言
(一) 宏观的层次：
这就是在连续介质假定的பைடு நூலகம்础上建立起来的模型。
其基本思路是：首先，根据连续介质假定，建立起流体运动所遵循 的微分方程，即非线性的Navier—Stokes方程组；
y型微通道气液两相流的数值模拟简
y型微通道气液两相流的数值模拟简
微通道中的气液两相流是一种复杂的流动现象，其数值模拟可以通过多相流模型来求解。
下面是一种简单的数值模拟方法：
1. 网格划分：根据微通道的几何形状，将计算域划分为若干个小单元，形成网格。
可以使用结构化网格或非结构化网格，根据实际情况选择合适的网格类型。
2. 方程建立：建立气液两相流动的守恒方程，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
对于气液两相流动，需要考虑两相间的相互作用，使用数学模型描述气液两相的物理过程。
3. 物理模型：选择合适的两相流模型。
常见的两相流模型包括欧拉模型、VOF模型、多流体模型等。
根据实际情况选择适应的模型。
4. 边界条件：根据实际情况设置合适的边界条件，包括压力、速度和温度等。
边界条件的选择对模拟结果有较大影响，需要根据实际情况进行合理设定。
5. 数值求解：使用数值方法对守恒方程进行离散化，得到离散方程。
常用的数值方法有有限差分法、有限体积法和有限元法等。
通过迭代求解离散方程，得到气液两相流场的数值解。
6. 边界处理：处理流场的边界，使得计算结果满足物理约束条件。
边界处理包括边界设置、边界条件的施加和边界修正等。
7. 结果分析：对计算结果进行分析与评估，包括流速分布、温度分布、压力分布等。
根据模拟结果对气液两相流动进行分析，并与实验数据进行对比。
以上是一种简单的数值模拟方法，当涉及到更复杂的问题时，可能需要使用更高级的模型和方法来进行数值模拟。
此外，数值模拟的准确性还受到边界条件和网格划分的影响，需要进行适当的验证和调整。
两相流数值模拟(第3讲)-两相流数值模拟的难点0420
同时，必须增加两相交界面上的动量控制方程和热、质传输的 控制方程。
在这种情况下，封闭方程组中补充方程的数量大大增加，补充 方程的复杂程度也会大大增加，如相界面上的蒸发或冷凝问题。
（三）两相流数值模拟的困难
蒸发管内的汽液两相基本流型
垂直上升加热管内工质的基本流动与传热过程
蒸发管内的汽液两相基本流型
垂直上升加热管内工质的基本流型
主要包括四种： 1）泡状流
在连续的液相中，分散着大量小汽泡。 2）弹状流
随着泡状流中汽泡浓度增大时，受趋中 效应的作用，小汽泡聚合成大汽泡， 直径逐渐增大，当汽泡直径接近于管 子内径时，形成形状如子弹的汽弹。
气—固相界面：气固两相流动亦是如此，颗粒的旋转、翻滚、 团聚、分离等现象也很复杂。
（二）两相流的复杂性：
（3）流型： 气－液两相流的这种复杂性可从两相流的流型及其演变特性上
略见一斑。
流型图是公认的、用于表示各种流型存在的条件和范围的一种 比较科学的方法，但不同的研究者得出的流型图往往存在较大的差 异，尤其是各种流型的转变界线差别较大。
常见的典型多相流是两相流。 自然界和工程应用中，两相（多相）流非常广泛，例如液气 系统、气固系统、液液系统、凝结、沸腾、输送、分离、流态化 等等。
描述各种问题的模型也是多种多样，千差万别。
（三）两相流数值模拟的困难
１）相对于单相流动体系而言，描述“两相流”场的变量几乎增 加一倍。
各相的浓度、物性（如密度、粘性等）、温度、分散相的颗 粒大小、速度、相间相互作用等，都在很宽的范围内变化，这些 因素会引起流动性质和流型的变化；而且，对于这些参数都需要 有相应的控制方程；
两相流数值模拟(第6讲)-连续介质类方法0420
半。
Fvm
1 d
12
3 c
其中相对加速度 定义为 (t) dup duc
dt dt
(3－5)
单颗粒动力学模型
(6) Basset 力 FB ： 由于流体粘性存在，当颗粒速度变化时，即颗粒有相对加速度
时，颗粒周围的流场不能马上达到稳定。因此，流体对颗粒的作用
力不仅依赖于当时颗粒的相对速度（阻力部分）、当时的相对加速
2. 欧拉－欧拉方法两个大类 1）均相模型(无滑移模型) 2）多流体模型（双流体模型） （1） “小滑移”模型 （2） 颗粒拟流体模型(流体－颗粒) （3） 气－液两相的分相模型
欧拉－拉格朗日方法
欧拉－拉格朗日方法
应用范围： 欧拉－拉格朗日方法主要用于解决由连续相ห้องสมุดไป่ตู้气体或液体）和
分散相（颗粒、液滴或气泡）组成的多相流动体系。 在这类方法中，连续相介质的运动由经典的Navier-Stokes方程
惯性力 + 阻力 + 附加质量力 + Besset力 + 升力 + 压差力 + 重力 + Magnus力 + Saffman力 + …… =0
单颗粒动力学模型
(1) 惯性力 Fi ，与加速度方向相反。
Fi
1 6
d
3
p
du p dt
(3－1)
单颗粒动力学模型
（2） 阻力 Fr ，阻碍颗粒与流体的相对运动。
不仅受到一个纵向阻力，同时还受到一个垂直于相对速度及旋转
轴的侧向力，其方向与 (uc u p ) 、 构成右手系。这就是 Magnus 力。
FM
1 8
d
3
c
(uc
两相流压力损失计算的数值模拟方法
两相流压力损失计算的数值模拟方法两相流是指在管道内同时存在着两种或多种不同的相态流体，如气体和液体、气体和气体、液体和固体等。
在实际的工业生产过程中，液体和气体混合在管道中进行输送的情况经常出现，所以对于两相流的研究尤为重要。
其中，混合流的两相流主要的研究方向是如何计算两相流中的压力损失。
本文将介绍两相流压力损失计算的数值模拟方法。
两相流中的压力损失压力损失是指流体在管道中由于摩擦阻力、重力势能损失、弯头、歧管等因素造成的能量损失所引起的压力降。
对于单相流的情况下，这个问题已经有很好的解决方法，但对于两相流的情况，这个问题就比较复杂了。
两相流中的压力损失包括以下几种类型：静止液体压力、动态液体压力、静止气体压力和动态气体压力。
其中，静止压力是液体和气体压力的平均值，动态压力则是因为液体和气体的高速流动而造成压力的变化。
压力变化的主要原因是管道内的内部流体摩擦和几何形状的变化。
目前，针对两相流中的压力损失的计算方法有很多，其中最常用的是数值模拟方法。
流体动力学数值模拟方法流体动力学数值模拟方法是针对流体运动的物理过程建立的数学模型。
其核心思想是通过数值计算来模拟流体动力学过程中的各种交互作用和现象。
在两相流中，由于存在着多个相态，所以涉及到多相流数学模型的建立。
多相流数学模型主要可以分为三种类型：欧拉-欧拉模型、欧拉-拉格朗日模型和拉格朗日-欧拉模型。
其中，最常用的是欧拉-拉格朗日模型，即控制方程和流动方程都是基于欧拉视角的，而粒子运动方程则是基于拉格朗日视角的。
基于欧拉-拉格朗日模型，可以进行两相流中压力损失的数值模拟。
其过程可以分为以下几步：1.建立数学模型。
通过欧拉-拉格朗日模型，建立两相流中的数学模型。
在建立模型时，需要考虑到多个因素，如流体的物理性质、管道的几何形状、运动状态等。
2.设定边界条件。
为了使得数值模拟结果具有一定的可靠性，需要对模型进行边界条件的设定。
边界条件通常包括入口边界条件和出口边界条件。
《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。
气液两相流数值模拟方法的研究与应用
气液两相流数值模拟方法的研究与应用气液两相流是指同时存在气体和液体的复杂流动现象，广泛存在于自然界和工业生产中，如瀑布、波浪、化工反应器、石油开采等。
气液两相流的研究对于理解和控制这些现象、提高生产效率和安全性具有重要意义。
数值模拟是研究气液两相流的有效方法。
相比于实验方法，数值模拟的优势在于能够获得更多的细节信息和精确数据，同时也可以极大地降低成本并避免实验过程中的危险性和不确定性。
本文将介绍气液两相流数值模拟的方法，及其应用领域和未来挑战。
一、数值模拟方法1. 传统方法传统方法通常采用两相流模型，基于欧拉方程求解。
由于气液两相流的复杂性，这种方法常常涉及到多个物理场的耦合和相互作用，如热传递、质量传递、化学反应、多相流动力学等。
因此，该方法具有计算量大、计算时间长、计算结果不精确等缺点。
2. 基于LBM的方法LBM（lattice boltzmann method）是一种介观尺度（宏观与微观之间的中间尺度）数值模拟方法，可以直接模拟流体内部微观运动方式，适用于模拟多相流动现象。
这种方法是根据Boltzmann方程建立的，通过碰撞模型模拟流体分子的运动，以此获得整个流场在不同时间的状态。
该方法具有计算速度快、模拟精度高、易于建模及可扩展性等优点。
3. 基于CFD的方法CFD（computational fluid dynamics）是指应用计算机数值方法对流体流动进行模拟和分析的工程技术。
CFD方法通过建立流动场的数学模型并采用数值求解方法进行计算，从而得到流场的物理或数学解。
这种方法在气液两相流领域中也得到了广泛应用。
4. 其他方法此外，还有一些其他的数值模拟方法，例如基于粒子方法的SPH（smoothed particle hydrodynamics）和DEM（discrete element method）等。
这些方法基于不同的假设和算法，都有各自的优缺点，在不同的气液两相流应用场景中发挥着重要的作用。
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如：颗粒动力学模型， 颗粒群模型等
（2）欧拉－欧拉方法： 如：均相模型 小滑移模型 分相模型 多流体模型
两相流数值模拟方法的分类
第三，介观层次的数值模拟方法。
（1）流体本来是由离散的分子所组成，通常将流体当作连续介质来 处理；
两相流数值模拟方法的分类
分子气体动力学模型
分类方法很多
离散的介观层次格子类方法
格子－气体（Lattice Gas）法 格子－波尔兹曼（Lattice Boltzman）方法
均相模型
气体动力学模型 颗粒群轨道模型 拟流体模型
均相模型
连续介质模型 Eulerian
这类方法从微观层次上将多相流看作是大量离散分子的集合，流体的运动特性 由这些离散分子的相关特性的统计平均来决定。
比较典型的如直接蒙特卡洛模拟(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC )方 法，最近10余年内得到迅速发展。
这类方法由于需要对计算区域内每一个分子的力学行为进行描述与计算，因而 所需计算机内存很大，目前还无法应用到复杂流场计算中。
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： ２）上述分类方法并不一定百分之百地科学，可有多种分类方法。
由于与单相连续介质力学模型的内在本质联系，经典的连续介质力学方法最易 为人们所理解和接受，直接推广和延伸到两相流应用领域。
连续介质力学方法是当今应用最为广泛的方法，连续介质力学模型可分为两类：
欧拉－拉格朗日方法 欧拉－欧拉方法
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： １）在实际应用中，需要结合研究具体目标，灵活采用不同的方法及其组合。
如，对弥散型两相流动，可采用欧拉（流体）-拉氏（颗粒/液滴/气泡）模拟，把 流体作为连续介质，而把颗粒群作为离散体系，探讨颗粒动力学，颗粒轨道等；
或者欧拉（流体）-欧拉（颗粒/液滴/气泡）模拟（双流体模型）；除将流体作为 连续介质外，把颗粒也当作拟连续介质或拟流体，设其在空间中有连续的速度和温度分 布及等价的输运性质。
如，对段塞流动（Slug Flows）和分层流动（Stratified Flows），可采用双流体 模型，对两相中的各相可分别用单相流动模拟（分离流模型），进一步可结合流体体积 法（Volume-of-Fluid，VOF)，追踪界面。
如，对弥散型两相流动，也可以采用混合模型； 有时，可能还需要采用两相湍流模型，尤其是颗粒/液滴/气泡的湍流模型，等等， 如沙尘流，混有泥沙的水流，汽轮机内的湿蒸汽流，等等。
两相流数值模拟方法的分类
注意要点：
３）各种模拟方法都有各自的优缺点，难以简单地说哪一个最优。
两相流数值模拟方法的分类
第四，其它新的改进方法。
随着数学科学和科学计算技术的发展，还出现了一些新的数值模拟方法或 新技术，如：
用于气－液两相流数值模拟的Level Set方法， VOF（Volume of Fluid）方法， 直接模拟， 大涡模拟等。
有些方法并不独立进行计算，是其它方法的补充。
分类方法，并不唯一。
高度函数法 线段法 VOF方法 Level Set方法
其它（辅助）方法 影相子场流（P体h（aseGhoFsiteldF）lu方id法 Method）法
两相流数值模拟方法的分类
根据各种方法所依赖的数学、物理原理的不同，两相流的数值模拟方法可归纳 为图１所示的类别，可分为如下三个大类。 第一，建立在统计分子动力学基础上的分子动力学模拟方法。
对某一些问题，如稀薄气体流动与传热、相界面行为的模拟、发生在气液界面 附近的导热、超临界流体在加热壁面上的导热等，可发挥作用。
两相流数值模拟方法的分类
第二，经典的连续介质力学方法。
这类方法从宏观上来研究两相流及其界面的迁移规律，以及两相流内部相与相 之间的相互作用。与这类方法相关的参数易于被理解和接受。
（2）采用连续介质类模型的数值计算，都要对计算区域做离散化处 理，也需对控制方程组作离散化处理，然后对离散网格内的流体质点进行 计算；
（3）物理上离散的分子——连续介质——离散的计算单元； 这种处理思路绕了一个弯！（参考陶文铨院士的教材）！
（4）完全的分子动力学模拟，需计算的分子数量巨大，不现实！
（5）需找到一种折中的方案——介观层次的方法。
内的流体质量要小得多；其尺寸、质量介于 “分子”和“网格单 元”之间！
宏观层次上的密度、速度等参数可通过对这些粒子的有关特性值
的特殊“统计平均计算”获得，这就是Lattice一Boltzmann方法。
Lattice一Boltzmann方法是由格子气自动机方法(Lattice Gas
Automata)发展而来的，而后者又源于细胞自动机(Cellular Automata)。【参见相关文献】
Eulerian方法/Eulerian
Lagrangian方法
PIC方法
界面追踪（Front
Tracking）类方法
FLIC方法
MAC方法
气体－液体两相流
分相模型(双流体模型)界混面合捕Eu捉ler(iFanrontLagCraapntguirainn方g )类法方法
两相流数值模拟方法的分类
第三，介观层次的数值模拟方法。
……….
根据分子运动理论建立起来的一类简化动力学模型，对许多格子
(1attice)上的流体质点进行计算。
格子尺度，远大于分子平均自由程，但又比有限差分的步长或有
限容积法中的控制容积的宽度要小；
介质粒子(Particles)在格子（Lattice）之间按一定的规则运动。 这些粒子比分子级别大，但其质量又比有限容积法中的控制容积
第五讲： 两相流的数值模拟方法分类
两相流数值模拟方法的分类
数值模拟方法已在单相流体的流动、传热问题的研究中获得了 长足发展，并表现出突出的优势；
特别是，数值模拟方法在空气动力学领域的成功应用促使科学 家寻求在多相流研究中应用和推广这一技术。
在过去的三四十年中，数学家和两相流研究工作者为探索两相 流相界面的恰当方法进行了不懈努力，在不同历史时期，为解决具 体的两相流问题提出了多种模型和方法。