多相流
多相流在工程流体力学中的应用与优化
多相流在工程流体力学中的应用与优化多相流是指在同一空间范围内同时存在两种或两种以上的不同相态流体的流动现象。
相较于单相流，多相流的研究在工程流体力学中具有更广泛的应用性和挑战性。
本文将探讨多相流在工程流体力学中的应用，并讨论相关优化策略。
1. 多相流的应用领域多相流的应用范围极为广泛，包括但不限于以下几个领域：a. 石油工业：在油田勘探和开发过程中，多相流的研究对于油水混输、气液分离等有着重要的应用价值。
通过深入研究多相流的特性，可以优化油井的设计和操作，提高采油效率。
b. 化工工业：多相流在化工过程中的应用多种多样，涵盖了反应器设计、传热设备、污染物处理等方面。
通过深入理解多相流的流动特性，可以有效地改进化工设备的设计，提高生产效率和产品质量。
c. 核工业：核反应堆内部往往存在着气液两相，多相流在核工业中的应用旨在提高核反应堆的安全性能和热工性能。
通过研究多相流的传热和传质机理，可以优化核反应堆的设计和运行方式。
d. 环境工程：多相流在环境工程中的应用主要关注气液界面处污染物的传输和转化过程。
通过研究多相流的分离和传输特性，可以优化废水处理和空气污染控制等环境治理过程。
2. 多相流的优化策略为了充分发挥多相流在工程流体力学中的作用，需要不断探索和优化相关研究策略，以下是一些常用的多相流优化策略：a. 实验设计优化：通过合理的实验设计和参数优化，获取准确的实验数据，为多相流模型的建立和验证提供可靠的依据。
同时，实验设计优化还可以用于优化多相流系统的操作参数，提高系统性能。
b. 数值模拟优化：利用计算流体力学(CFD)等数值模拟方法，对多相流的流动特性进行建模和仿真。
通过不断优化模型参数和计算算法，提高数值模拟的准确性和计算效率，为多相流研究提供可靠的数值支持。
c. 过程优化：针对具体的多相流工艺过程，通过优化操作条件和参数，提高多相流系统的能效和运行效果。
通过合理的过程优化，可以降低能源消耗，减少环境污染，提高工程设备的经济性和可持续性。
第一章-多相流概述
段塞捕集器 多相泵 多相流量计 总之，在多相流技术飞速发展的同时，各种相关问题也相继提出。
多相混输技术的研究及其应用
2019/11/7
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第一章 多相流概述
多相流研究内容示意图
多相流
气液两相流
液液两相流
气液液三相流
液固两相流
气固两相流
管流
渗流
管流
渗流
明渠
管流
渗流
管流
管流
流型判别
流型判别
工艺计算
工艺计算
腐蚀预测
腐蚀预测
泄漏检测
清管模拟
堵塞分析
多相混输技术的研究及其应用 2019/11/7
流型判别 工艺计算 腐蚀预测
流型判别 腐蚀预测
流型判别 腐蚀预测
6
第三节 多相流的常见模型
1) 均相流模型（Homogeneous flow model） 2) 分相流模型（Separated flow model） 3) 漂移通量模型（Drift-flux model） 4) 基于流型的模型（Models based on flow pattern） 5) 组合模型（Combination models）
第一章 多相流概述
第五节 多相流技术在石油工业中的应用
一、必要性
1）勘探开发中 2）油气输送中 3）其它方面
多相混输技术的研究及其应用
2019/11/7
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第一章 多相流概述
二、已经取得的成果和尚需解决的问题
1）多相混输管线的工艺设计与仿真 2）多相输送的运营管理
多相流管线的防腐问题 多相流管线的泄漏检测与定位 清管问题
第一章 多相流概述
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。
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。
多相流 机理
多相流机理
多相流是指在同一空间内同时存在两种或两种以上的物质，它们之间
相互作用、相互影响，共同参与热、质、动量传递和化学反应的流体
现象。
多相流广泛应用于化工、石油、能源、环保等领域，因此对其
机理的研究具有重要意义。
多相流机理主要包括以下几个方面：
1. 相间传质和传热机理
不同相之间由于物性差异，会产生浓度和温度的差异，从而引起物质
和能量的传递。
例如，在气液两相接触处，气体会向液体中扩散，液
体则向气体中蒸发。
这种现象称为气液界面上的传质和传热。
2. 相变机理
在多相流中，当温度或压力变化时，某些物质可能会发生相变。
例如，在汽车发动机中，水蒸气会从液态转变为气态，并带走一定的热量。
这种现象称为相变。
3. 相互作用力学
不同相之间存在着各种各样的力学作用。
例如，在固体颗粒悬浮在液
体中的情况下，液体会对颗粒产生浮力，而颗粒则会对液体产生阻力。
这种现象称为固液两相之间的相互作用力学。
4. 流型和流动结构
在多相流中，不同相之间的分布和运动状态会形成不同的流型和流动
结构。
例如，在气固两相流中，存在着床层、漩涡、射流等不同的流
动结构。
5. 多尺度问题
多相流中存在着多个尺度的问题，如颗粒粒径、气泡大小、液滴半径等。
这些问题需要采用多尺度方法进行研究。
总之，多相流机理是一个复杂而丰富的领域，需要综合运用物理学、
化学、力学等多个学科知识进行研究。
在未来，随着科技水平的不断
提高和应用需求的增加，多相流机理研究将更加深入和广泛。
多相流及其应用
多相流及其应用
多相流是指在一个系统中，存在多种物质，每种物质都有自己的性质，并且可以在系统中相互作用。
多相流的特点是，它可以模拟复杂的物理现象，如液体、气体、固体和热等，从而更好地描述实际系统的运行情况。
多相流的应用非常广泛，它可以用于石油、化工、冶金、热能、环境保护、航空航天等领域。
例如，在石油工业中，多相流可以用于模拟油井的流动状况，以及油井中的油、气、水等物质的相互作用，从而更好地控制油井的生产。
在化工工业中，多相流可以用于模拟反应器的运行情况，以及反应器中的物质的相互作用，从而更好地控制反应器的生产。
在冶金工业中，多相流可以用于模拟冶炼过程中的流动状况，以及冶炼过程中的物质的相互作用，从而更好地控制冶炼过程的生产。
此外，多相流还可以用于热能工程、环境保护、航空航天等领域。
例如，在热能工程中，多相流可以用于模拟热能系统的运行情况，以及热能系统中的物质的相互作用，从而更好地控制热能系统的运行。
在环境保护领域，多相流可以用于模拟环境中的物质的运动情况，以及物质的相互作用，从而更好地控制环境的污染。
在航空航天领域，多相流可以用于模拟飞行器的运行情况，以及飞行器中的物质的相互作用，从而更好地控制飞行器的运行。
总之，多相流是一种重要的技术，它可以用于模拟复杂的物理现象，并且可以用于石油、化工、冶金、热能、环境保护、航空航天等领域，从而更好地控制实际系统的运行情况。
多相流模型
弹状流
气泡流、含液滴气流、带粉气流
气力输送、液力输送、泥浆流
分层流、有自由表面流
沉降
流化床
图5.13 多相流流型
根据所依赖的数学方法和物理原理不同，多相流的理论模型分为三大类：(1)经典的 连续介质力学方法；(2)建立在统计分子动力学基础上的分子动力学模拟方法；(3)介观层 次上的模拟方法，即格子 - Boltzmann 方法。目前多在工程中应用的多相流连续介质力学
5.4.3 多相流时间格式
为了准确模拟多相流的时空变化过程，空间和时间离散均需要高阶格式。除了一阶 时间格式外，混合模型、Euler 模型以及 VOF 隐式格式均可以使用二阶时间格式。 二阶时间格式可用于全部输运方程，包括混合相动量方程、能量方程、组分输运方 程、湍流模型、相体积分数方程、压力修正方程和颗粒流模型。在多相流中，通用输运 方程可以写成：
(5.381)
式中， τd
ρd dd2 为颗粒响应时间（也称为松弛时间或弛豫时间），代表颗粒与连续相动 18 μc
量非平衡松弛过程的快慢，在连续相速度为常数以及Stokes阻力条件下，颗粒相对于连 续相的速度按指数规律衰减，经过时间τd后衰减为初始值的e−1；τs为系统响应时间，为 系统特征长度Ls与特征速度Vs之比，即 τs
只能有一相为可压缩理想气体。对于使用 UDF 所定义的可压缩液体没有限制。 使用 VOF 模型时，不能模拟顺流向周期性流动。 使用 VOF 模型时，不能使用二阶隐式时间步进格式。 使用 DPM 模型进行并行颗粒追踪时， 不能采用共享内存 （Shared Memory） 选项， 可采用消息传递（Message Passing）选项。
(3) Euler 模型
Euler 模型对每一相求解动量方程和连续性方程。通过压力和相间交换系数实现耦
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双挥发反应模型，多级的挥发反应模型 • 按照反应所对应的挥发份的成份来分：基于 总体的挥发份反应模型和基于不同的挥发份 成份的反应模型
• 单级反应模型(通用热解模型)：
r ( V'daf V ) K exp(E / RT ) V'daf QVdaf
贴体坐标系下的气相动量方 程
1 V V V (U V ) (V V ) (W V ) { [ (q1 q2 q3 )] Re J V V V V V V [ ( q2 q4 q5 )] [ (q3 q5 q6 )] SJ J J
ui u j
' '
u j ui ( ) x j xi
• 工程中应用最为广泛的当属二方程模式的 k- 模型．优点是：应用范围广；应用简 单．其缺点是：对于有突变的及强旋的流 动有较大的偏差
• k- 模型修正：非线性k- 模型，低雷诺数 k- 模型等 • 为了更有效地解决如四角切圆锅炉这样的 旋流对象，引入Ｒichardson修正和新近发 展起来的系数通过重正化群理论推导来的
煤粉颗粒的燃烧示意图
• 煤粉颗粒的成份：挥发份,炭,水分,灰分。
炭非均相 反应速率
炭 水 分 容积 气体
容积 气体
挥发份 析出时 放出的 气体物 质
挥发
速率 Daf煤
rh1
灰 分
rh
rv
蒸发速率 rw
• 煤粉颗粒的燃烧:
煤粉进入炉膛一般要经过水分蒸发，挥发份 热解析出，炭的着火和燃烬。 – 水分的蒸发过程最先完成；
• 模型特点：考虑了湍流气流的脉动频谱和强 度对颗粒群运动的影响，也能反映出不同颗 粒尺寸的颗粒组成对湍流扩散的影响。
•
模型内容：
规律,故气流速度可用傅利叶级数来描述。
1. 湍流气流是脉动的，其频谱分布有一定的 2. 湍流气流的脉动是随机的，因此，脉动速 度的振幅和起始相位也是随机的，对三维 流动来说，脉动速度可用随机的傅利叶级 数形式n个谐波叠加来模拟。 3. 颗粒是分散相，用颗粒分挡随机平均统计 的方法来求颗粒的运动。
大涡模拟 （Large Eddy Simulation,LES) • 是湍流运动的高级数值模拟。在直接求
解N-S方程方法的计算量及占用计算机
内存十分可观，用于高Renolds数或复
杂湍流的数值模拟还有相当难度的情况
下，大涡模拟应运而生。
基本思想
• 湍流运动中引起湍能产生和耗散的大涡和小涡具 有不同特性。大涡受流场形状及障碍物影响较大， 具有明显的各向不均匀性；而小涡则具较多的共 性和更接近各向同性，较易建立普遍适用模型。
• 双反应模型： 高温k1 daf原煤 低温k2
(1-1)(煤焦)+ 1(挥发份) (1-2)(煤焦)+ 2(挥发份)
dv1 dv2 rv (1k1 1k 2 ) dt
• 多反应模型：由一系列平行反应过程组成
• 基于挥发份总体的模型 r ( V'daf V) K exp(E / RT ) • 基于不同的挥发份成份(如: i＝HCN,NH3,CH4等) 给出不同的活化能和指数前因子
• 是近代湍流研究中用计算机直接求解N-S方 程的一种方法。于70年代初开始提出，由于 经验性半经验性的湍流模式理论对于非定常 湍流、复杂几何湍流的预测很不准确的。 DNS作为湍流研究的手段得到广泛的重视。
• 随着计算机的不断改进，DNS方法发展很快， 愈来愈得到关注。
DNS在以下方面具有优势：
• 湍流转捩 直接数值模拟有可能将湍流由 层流向湍流转捩的全过程进行数值模拟。 目前，可以对二维机翼的流动转捩过程进 行DNS 的数值模拟。 • 非定常湍流 DNS是非定常湍流的预测的 有效方法，同时建立非定常湍流的模式和 求解非定常湍流的模式方程并不比DNS更 为方便。 • 噪声和高速湍流的预测。
4
导热
控制单元体自 身向外辐射
火焰辐射传热数值计算的方法主要有:热流法 (Heat flux method),区域法(Zone Method), 蒙特卡洛法(Mote-Carlo method)和近年来 发展起来的数论法及离散坐标法。 • 热流法是微元体界面上复杂的半球空间热 辐射简化为垂直于此界面的均匀辐射热流, 该方法的优点是计算简单,但是其计算结果 与实际相差较大。
颗粒表面水 的摩尔份额 气相空间水 的摩尔份额
挥发份析出模型
• 当温度开始升高到一定温度( 600 度)时，开
始析出挥发性物质，气体和焦油物质开始释
放出来
• 这一过程热解程度可能占煤粒总重的百分之
几到70%~80%
• 挥发析出的时间一般较短，在几毫秒内会完
成,取决于煤粉尺寸,煤种和温度条件
挥发份反应模型分类
• 数学表达：
1.气相场的瞬时速度分为时间均值速度和脉 ' 动速度 u U u 2. 而在一个特定的湍流涡中脉动速度用傅 立叶级数来模拟
u R1u i cos(i i t R2 )
'１范围内的随机数; ui 是根据湍流脉动频谱和能谱所确定的圆频率ω 下气 流湍流涡团的脉动幅值 I 是脉动的初相位，i是傅利叶级数常用频率的倍数， 如i=1，3，5，7，9，……。
RNG k- 模型
双方程k-湍流模型
k T k uj P [( ) ] K x j x j T x j
T uj C 1 PK C 2 [( ) ] x j k k x j T x j
2
ui ui 这里 k uiui / 2 , x j x j
• 其中Ｖ表示直角坐标上的三个分量u，v，
w，源项S是矢量
湍流方程的封闭问题
• 工程中大多数情况都是属于湍流问题，因此 需要对层流的N－S方程进行雷诺分解
'
• 分解之后的出现至少十个未知的变量（对于 三维问题），造成了不封闭的困难，这一困 难也称之为封闭问题 • 这十个变量是 而方程数并没有增加，这就引出封闭问题
理论模型
1.气相流动的数学模型
• 连续性方程:
div ( V) 0
• 运动方程（Ｎ－Ｓ方程）对于不可压缩的定常流 动： 2 (V )V -p V • 这里对于三维问题共有u,v,w,p四个变量，对应 四个方程因此是封闭可解的。
贴体坐标系中的气相连续方程
U V W 0
–标准k-模型
C=0.09， C1=1.47， C2=1.92， =1.3， k=1.0.
–RNG k-模型
( / 0 ) C 0.085 , C 1 1.42 3 , C 2 1.68 , K 0.7179 , C 0.7179 1 1/ 2 SK / , S (2SIJ SIJ ) , 0.015 , 0 4.38
PK 2 T S IJ S IJ
,
,
是湍流动能的生成项
S ij
2 u j 1 u i ( ) C k 2 x j xi , T
,
贴体坐标系下的k-双方程 湍流模型
标准k-模型和RNG k-模型的对比
• 系数不同, RNG k-模型是通过重正化群理 论推导来的
• 炭的非均相反应过程比挥发份析出过程 慢得多，通常要几秒，大颗粒甚至要几 分钟。
• 炭的非均相反应过程通常指与氧气的反 应，炭也会与其他气体如氢气，水蒸气， 氢气发生反应，但相对与氧气的反应速 率小得多。
焦炭的非均相反应模型
• 模型假设热解与焦炭燃烧同时进行。
• 焦炭的燃烧同时受化学动力学和氧气的 扩散条件的控制。 • 在焦炭燃烧过程假设密度不变
rvi (V daf V ) K i exp( Ei / RT )
'
• 基于挥发份总体,反应的活化能是连续分布的模型
• 基于不同的挥发份成份,反应的活化能是连续分布 • 最后，挥发份放出的过程中有部分挥发份要按一 定比例转化为焦炭
rh1 rv (1 Ym ) / Ym .
焦炭的非均相反应模型
– 热解挥发和炭燃烧根据加热速率不同，可 能同时进行，也可能重叠进行。
– 而这一加热燃烧过程是一个十分复杂的多 步过程，用于数值试验的模型都是建立在 简化近似的基础上的。
水分的蒸发速率
• 水分的蒸发扩散模型
rw M w NumCg Dwm Ap ( X wp X wg ) / d p (1 X wp rp / rw )
• 焦炭的非均相反应模型分类
按照所基于的表面情况分 以焦炭粒外 表面为 基础的总体反应速率 和基于内孔表面的 内在反应速率
按照反应的机理分 只考虑一种表面 反应的模型 同时考虑多种表 面反应的模型
按照煤粒表面生成的成份的性质分
u v w p u v w vw uw uv
' '
'
'
'
'
'
' '
湍流模式综述
紊流的数值模拟 Euler描述法 大涡模拟和完全模拟 紊流粘性系数法(BVM) 单流体模型 双流体模型 Lagrange描述法 时均参数法
应力/通量微分方程法(MRS) 应力/通量代数方程法(ARS)
平均速度场模型 (零方程模型MVF)
• 区域法是将计算对象划成若干区域,可以是
体积区,也可以是面积区,其计算结果比较接
近于实际,但是由于涉及多个重积分和非线 性的代数方程的求解,其工作量比较大,一般 只用来计算燃烧室几何形状不很复杂,火焰 温度变化不太剧烈的问题。
• 蒙特卡洛方法,又称概率模拟法是根据概率论对 发射的大 量能束进行统计,把积分求值的问题转