两相流、多相流讲课讲稿

两相流、多相流

两相流的概念及类型两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。若流动系统中物质的相态多于两个，则称为多相流，两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-液体系统。固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。

两相流的流动形态有多种。除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依据两相相对含量（常称为相比）、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件（管内、多孔板上、沿壁面等）划分流动形态。对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。

两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变。流动形态不同，则热量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。例如多孔板上气液两相处于鼓泡状态时，正系统混合物（浓度增加时表面张力减低）的板效率(见级效率)高于负系统混合物（浓度增加时表面张力增加）；而喷射状态下恰好相反。两相流研究的另一个基本课题，是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。当分散相液滴或气泡时，有很多特点。例如液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环

流，界面上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。这些都会影响传质通量，进而影响设备的性能。两相流研究的课题，还有两相流系统的摩擦阻力，系统的振荡和稳定性等。

两相流研究模型两相流的理论分析比单相流困难得多，描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。大量理论工作采用的是两类简化模型：①均相模型。将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物，假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，但须对它的物理性质及传递性质作合理的假定；②分相模型。认为单相流的概念和方法可分别用于两相系统的各个相，同时考虑两相之间的相互作用。两种模型的应用都还存在不少困难，但在计算技术发展的推动下颇有进展。

气体和液体混合物的两相流动体系。通常分为单成分两相流和双成分两相流。前者是具有相同化学成分的同质异态两相流，如水和蒸汽两相流；后者是具有不同化学成分的异质异态两相流，如水和空气两相流。气-液流动包括掺有气泡的液体流动和带有液滴的气体流动，如掺气水流和含雾滴的大气流动等。气-液流动因管道压力、流量、热负荷、流向、工质物性等的不同，可形成各种不同流型。竖管中最常见的流型（见图）有：细小气泡散布于液相中的气泡状流型；管中心为气弹、壁附近为连续液膜的气弹状流型；管中心为夹带细小液滴的气核和壁附近为连续液膜的环状流型；气相中含细小液滴和壁附近无连续液膜的雾状流

型。不同的流型有不同的流体动力学和传热传质规律。对流型的分析方法，目前工程上应用较多的有均相流模型和分相流模型，前者适用于较均匀的气泡状流，后者用于有明显分界面的层状流。气-液两相流通过管道引起的压差称为压力降。在任意通流截面上，气相在两相混合物中所占的截面分数称为空隙率，它是计算重位压力降和加速压力降必不可少的参量。设计中，必须计算气-液两相流的压力降以确定所需动力，保证设备安全经济地运转。

**好东西**

两相流：通常把含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流；其中含有多种尺寸组颗粒群为一个“相”，气体或液体为另一“相”，由此就有气—液，气—固，液—固等两相流之分。

两相流的研究：对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质，而把颗粒群作为离散体系；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体。

引入两种坐标系：即拉格朗日坐标和欧拉坐标，以变形前的初始坐标为自变量称为拉格朗日Langrangian 坐标或物质坐标；以变形后瞬时坐标为自变量称为欧拉Eulerian 坐标或空间坐标。离散相模型（DPM）

FLUENT在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相；

离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等；

应用范围：FLUENT中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%（但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即可模拟离散相质量流率等/大于连续相的流动）；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等；

颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑；

湍流中颗粒处理的两种模型：Stochastic Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道”

多相流模型

FLUENT中提供的模型：

VOF模型(Volume of Fluid Model)

混合模型(Mixture Model)

欧拉模型(Eulerian Model)

VOF模型(Volume of Fluid Model)

VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为α1，如果α1=0，表示该控制容积中不含第一相，如果α1=1，则表示该控制容

积中只含有第一相，如果0<α1<1，表示该控制容积中有两相交界面；

VOF方法是用体积率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，其方法占内存小，是一种简单而有效的方法。

混合模型(Mixture Model)

用混合特性参数描述的两相流场的场方程组称为混合模型；

考虑了界面传递特性以及两相间的扩散作用和脉动作用；使用了滑移速度的概念，允许相以不同的速度运动；

用于模拟各相有不同速度的多相流；也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流；

缺点：界面特性包括不全，扩散和脉动特性难于处理。

欧拉模型(Eulerian Model)

欧拉模型指的是欧拉—欧拉模型；

把颗粒和气体看成两种流体，空间各点都有这两种流体各自不同的速度、温度和密度，这些流体其存在在同一空间并相互渗透，但各有不同的体积分数，相互间有滑移；

颗粒群与气体有相互作用，并且颗粒与颗粒之间相互作用，颗粒群紊流输运取决于与气相间的相互作用而不是颗粒间的相互作用；

各颗粒相在空间中有连续的速度、温度及体积分数分布。

几种多相流模型的选择

VOF模型适合于分层流动或自由表面流；

Mixture和Eulerian模型适合于流动中有混合或分离，或者离散相的体积份额超过10%－12％的情况。

Mixture模型和Eulerian模型区别

如果离散相在计算域分布较广，采用 Mixture模型；如果离散相只集中在一部分，使用Eulerian模型；

当考虑计算域内的interphase drag laws 时，Eulerian模型通常比Mixture模型能给出更精确的结果；从计算时间和计算精度上考虑。

选用FLUENT多相流模型的几个要点

多相流的计算，首先是要对要研究的问题要有一个比较详细的了解。你对模拟过程了解多少，可能的结果是什么。可以想象一下你模拟的过程，你想要得到的结果侧重点在哪里，等等。然后根据问题选择不同的多相流模型。由于不同的模型适合不同的模型，因此首先要对 FLUENT各个多相模型有一明确的概念。你如何简化问题。另外，网格的划分很重要。尽量采用简单的网格。网格的疏密程度，那些地方要细，那些地方可以疏些，等等。好的前处理对获得快速收敛的解非常非常重要！

关于FLUENT不同多相流模型的选择和比较：

1) 对DPM模型，采用的是Lagraian-Eulerian方法。粒子的运动是按Lagrarian方法，连续流体的计算是按Eulerian方法。

DPM可以跟踪单独粒子的运动轨迹。但该方法不考虑粒子对连续流体运动的影响，所以只适用于粒子体积占总体积不大于10%的情况。

2) VOF模型。该模型能够比较好的反映多相流之间的界面情况。比如大的气泡以比较慢的速度在液体中流动，气液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各项物性参数，如密度，粘度等，是各相物性的体积平均值，所以要求各相的速度之间差别不能太大，否则会对计算结果的精度影响很大。一般情况VOF采用非稳态模拟比较好。主相的体积值不是从体积守恒方程得到的，而是1减去其他离散相的值。

3)Mixture模型。此模型考虑了离散相和连续相的速度差，及相互之间的作用。但相与相之间是不相容的。动量方程及连续方程等中各物性参数采用的是各相体积平均值。主相的体积值不是从体积守恒方程得到的，而是1减去其他离散相的值。

4)Eulerian模型。此模型可以对各相进行单独的计算，每相都有单独的守恒方程。据有很大的适应性。但代价是由于要对各相都要进行独自计算迭代，计算机时是很巨大的。故Mixture是Eulerian模型的一种折衷.

气浮池中的两相流属于：双组份双相流和绝热两相流（无相变无相间质量交换）

FLUENT中应用DPM模型时的限制

1. 对颗粒体积分数的限制

FLUENT所使用的离散相计算公式假定第二相十分稀薄，这就使得FLUENT忽略了颗粒间的相互作用以及颗粒体积分数对对气相的作用。这就意味着离散相的体积分数必须是一个相当低的数值，通常这个值小于10%～12%。注意：这里所讲的是体积分数，而不是质量分数，离散相的质量分数是可以大于前面所述的限制的，你甚至可以用它来计算离散相质量分数大于等于连续相质量分数的情况。如果你想使用常规多项留模型，可以参考第22和第24章的内容。

2. 在模拟颗粒持续悬浮时的限制

本章所描述的稳态颗粒Lagrangian离散相模型适合模拟颗粒喷射进入连续相中的时候，连续相流存在明确的入口和出口条件。Lagrangian模型无法有效的模拟颗粒长期悬浮情况下的流动，比如在封闭系统中出现的固体悬浮的情况，像搅拌罐、混合皿还有流化床。

3. 使用DPM模型对使用FLUENT中其它模型的限制

[1] 周期流Streamwise periodic flow（既不能定义质量流率也无法制定压降）

[2] 当使用预混燃烧模型时，只能包含部反应的颗粒。

[3] 对于Surface injections，颗粒入射的面不能是移动网格或变形网格

[4] 颗粒云模型无法用于非稳态的情况或者是并行计算的情况

[5] wall-film model只适用于液体材料，The wall-film model is only valid for liquid materials. If a non-liquid particle interacts with a wall-film boundary, the boundary condition will default to the reflect boundary condition.

[6] 使用复合参考系时，默认情况下所显示的颗粒轨迹是没有意义的。

颗粒的入射速度是相对于颗粒被跟踪时所在的坐标系的。默认情况下，入射速度是相对于当地坐标系定义的。如果启用了track-in- absolute-frame选项，则入射速度在相对坐标系中定义。

Fluent多相流模型

分类

1、气液或液液流动

气泡流动：连续流体中存在离散的气泡或液泡

液滴流动：连续相为气相，其它相为液滴

栓塞（泡状）流动：在连续流体中存在尺寸较大的气泡

分层自由流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。

2、气固两相流动

粒子负载流动：连续气体流动中有离散的固体粒子

气力输运：流动模式依赖，如固体载荷、雷诺数和例子属性等。最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床以及各相同性流

流化床：有一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器进入筒内，从床底不断冲入的气体使得颗粒得以悬浮。

3、液固两相流动

泥浆流：流体中的大量颗粒流动。颗粒的stokes数通常小于1。大于1是成为流化了的液固流动。

水力运输：在连续流体中密布着固体颗粒

沉降运动：在有一定高度的盛有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质，随后，流体会出现分层。

4、三相流

以上各种情况的组合

多相流动系统的实例

气泡流：抽吸、通风、空气泵、气穴、蒸发、浮选、洗刷。

液滴流：抽吸、喷雾、燃烧室、低温泵、干燥机、蒸发、气冷、洗刷。

栓塞流：管道或容器中有大尺度气泡的流动

分层流：分离器中的晃动、核反应装置沸腾和冷凝

粒子负载流：旋风分离器、空气分类器、洗尘器、环境尘埃流动

气力输运：水泥、谷粒和金属粉末的输运

流化床：流化床反应器、循环流化床

泥浆流：泥浆输运、矿物处理

水力输运：矿物处理、生物医学、物理化学中的流体系统

沉降流动：矿物处理。

多相流模型的选择原则

1、基本原则

1) 对于体积分数小于10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用离散相模型。

2) 对于离散相混合物或者单独的离散相体积率超出10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用混合模型或欧拉模型。

3) 对于栓塞流、泡状流，采用VOF模型

4) 对于分层/自由面流动，采用VOF模型

5) 对于气动输运，均匀流动采用混合模型，粒子流采用欧拉模型。

6) 对于流化床，采用欧拉模型

7) 泥浆和水力输运，采用混合模型或欧拉模型。

8) 沉降采用欧拉模型

9) 对于更一般的，同时包含多种多相流模式的情况，应根据最感兴趣的流动特种，选择合适的流动模型。此时由于模型只是对部分流动特征采用了较好的模拟，其精度必然低于只包含单个模式的流动。

2、混合模型和欧拉模型的选择原则

VOF模型适合于分层的或自由表面流，而混合模型和欧拉模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的体积分数超过10%的情况（小于10%可使用离散相模型）。

1) 如果分散相有宽广的分布（如颗粒的尺寸分布很宽），最好采用混合模型，反之使用欧拉模型。

2) 如果相间曳力规律一直，欧拉模型通常比混合模型更精确；若相间曳力规律不明确，最好选用混合模型。

3) 如果希望减小计算了，最好选用混合模型，它比欧拉模型少解一部分方程；如果要求精度而不在意计算量，欧拉模型可能是更好的选择。但是要注意，复杂的欧拉模型比混合模型的稳定性差，可能会遇到收敛困难。