气—液两相瞬变流的流固耦合研究
管道气液固三相流的耦合瞬变模型研究
１ 基本前提 与假设
多相流的流型多种多样 ， 但根据其悬浮输移规律可分为两大类 ： 伪均质流 和非均质流。在能源 、 冶
金、 化工 等领 域 的 固体 物料 管 道 输 送 中 ， 于要 考 虑 到输 送 介 质 流动 的稳 定 性 ， 般 情 况 下 固体 颗 粒 较 由 一 细 ， 内流态 大都 为伪 均质 流 ¨ 管 。对 于气 液混合 流 动而 言 ， 采用 伪 均 质流 模 型可 以模 拟 泡 状 流和 雾状
管道输 送 （ 又称管 输 ） 是一种 具有 效率 高 、 成本低 、 占地少 、 无污染 等 优点 的输 送 方式 ， 已经 在工 业 、 农 业 及 军事 等领域 得到 了十分广 泛 的应 用 ， 比如 石油 部 门用 于输 送原 油 、 品 油和天 然 气 ， 炭 部 门用 于 输 成 煤 送 煤浆 ， 冶金 部 门用 于水力 输送 精 矿 和尾 矿 等 ¨ ２。 由于采 用 多 相混 输 工 艺 或 其他 因素 （ ＩＪ 如夹 带 气 体 或 固体 杂质 ） 实 际 的输 送介 质往往 以多相 流体形 式存 在 ， ， 而又 以气液 固三 相混合 流 动最具 一般 性 。 水 力 瞬变 又称水击 ， 是管输 过程 中经 常 出现 的一种 瞬态 工 况 ， 严重 时会 导 致超 常 压力 ， 发管 道 产 生 诱 剧烈 振动 甚至 破裂 而酿成 巨大 灾 难 ， 该 予 以 预 防和 控 制 。 。 以往 研究 管 输 瞬变 流 动 时 ， 应 一般 不 考 虑
ｄｉ１ ．９ ９ｊｉ ｎ １７ ７ ４ ．０ １０ ．０ ｏ：０ ３６ ／．ｓ ．６ ２— ８３ ２ １．３ ０ ６ ｓ
管道气液 固三相 流的耦合瞬变模 型研 究
陈 明， 焦光伟 ， 岐卫 ， 雍 冯 剑
气液两相流的性质和计算方法
气液两相流的性质和计算方法气液两相流是指气体和液体同时存在并混合流动的流体系统。
它在工业领域和自然界中都具有重要的应用价值，例如石油开采、化工生产以及大气湍流等。
了解气液两相流的性质和计算方法对于工程设计和科学研究都至关重要。
本文将介绍气液两相流的基本特性以及常用的计算方法。
一、气液两相流的性质1. 相态及其转变：在气液两相流中，气体和液体是两种不同的相态。
相态的转变主要涉及气体与液体之间的相互作用。
常见的气液相态转变有蒸发和凝结。
蒸发是液体转变为气体的过程，凝结则相反，是气体转变为液体的过程。
2. 平衡态：在气液两相流中，气相和液相之间存在着平衡态，即气体和液体之间的能量和质量交换达到平衡。
平衡态可以通过温度、压力和相对湿度等参数进行描述。
在一定的温度和压力条件下，气体和液体之间会达到平衡态，这对于计算气液两相流动参数至关重要。
3. 流速及测量方法：气液两相流的流速可以通过多种方法进行测量，常用的方法有雷诺数法、回收法和瞬时测量法等。
雷诺数法利用流速以及流动的截面积来计算气液两相流的饱和度，从而推导出流速。
回收法则通过测量液体回收某一时间段内的质量差异来计算流速。
瞬时测量法则是在气液两相流过程中通过传感器实时测量流速。
二、气液两相流计算方法1. 流动模型：在计算气液两相流动时，常用的模型有欧拉模型和拉格朗日模型。
欧拉模型是基于连续方程和动量方程的宏观计算方法，适用于大规模流体系统的计算。
拉格朗日模型则是基于颗粒运动方程的微观计算方法，适用于小尺度的气液两相流计算。
2. 数值模拟方法：气液两相流的数值模拟是一种常用的计算方法。
通过将流体系统划分为离散的网格单元，利用数学模型和计算算法对流体动力学进行数值求解。
常用的数值模拟方法有有限差分法、有限元法和计算流体力学（CFD）等。
3. 实验方法：为了验证理论计算结果和数值模拟方法的准确性，常常需要进行实验研究。
实验方法可以通过流体试验和实验观测两种途径进行。
流固耦合的研究与发展综述
流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指液体或气体与固体之间相互作用并相互影响的物理过程。
在过去几十年里，流固耦合的研究与发展取得了令人瞩目的进展。
本综述将对流固耦合的研究背景、发展状况和前景进行综述。
首先，流固耦合的研究背景。
流固耦合的研究源于对大气和海洋中的风暴、涡旋和浪潮等自然规律的理解。
这些自然现象中，液体和气体介质与地球表面的固体结构相互作用，并产生复杂而有趣的现象。
例如，在风暴过程中，气体通过辐合进而产生强风和风暴潮，对海岸线造成严重的破坏。
了解这些流固耦合的现象对于防灾减灾和环境保护具有重要意义。
此外，流固耦合的研究还可以应用于工程领域，如航空航天、水利水电和海洋工程等。
其次，流固耦合的研究发展。
随着计算机技术和数值模拟方法的发展，研究人员能够模拟和预测流固耦合过程中的各种物理现象。
数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
这些方法能够解决流固耦合问题中的非线性、多物理场和多尺度等复杂问题。
此外，研究人员还开展了实验和理论研究，以更加全面和深入地理解流固耦合过程。
当前流固耦合的研究重点包括气液两相流动、流体力学与固体力学的相互作用、液固界面的动态行为等。
最后，流固耦合的研究前景。
随着数据采集和处理技术的不断进步，流固耦合的研究正朝着多尺度、多物理场和多学科的方向发展。
在气液两相流动中，研究人员将继续探索液滴、气泡和颗粒的动力学行为，以及它们与固体表面之间的相互作用。
在流体力学和固体力学的相互作用中，研究人员将关注固体结构如何影响流体流动和固体应力分布。
在液固界面的动态行为中，研究人员将继续研究液滴的形变和破裂机制，并探索其在材料科学和生物医学领域的应用。
总之，流固耦合的研究与发展具有广阔的应用前景。
通过深入理解流固耦合过程的物理机制，可以提供有关气候变化、自然灾害和工程设计等方面的关键信息。
这些研究也有助于推动相关学科的发展，如流体力学、固体力学和材料科学等。
随着技术的不断进步和理论的不断完善，相信流固耦合的研究将加速，为我们理解和利用自然界的复杂现象提供更多的支持和指导。
液固两相流动力学特性的数值模拟与实验验证
液固两相流动力学特性的数值模拟与实验验证液固两相流动是一种复杂的物理现象，涉及到流体力学、传热学、传质学等多个学科的知识。
在工程领域中，对液固两相流动的研究具有重要的意义，例如在石油开采、化工过程中的气液流动、泡沫流动等方面。
本文将探讨液固两相流动力学特性的数值模拟与实验验证的相关研究。
一、数值模拟方法数值模拟是研究液固两相流动力学特性的常用方法之一。
在数值模拟中，通过建立数学模型，利用计算机进行数值计算，模拟液固两相流动的行为。
其中，最常用的方法是基于Navier-Stokes方程的求解。
通过将流体的连续性方程、动量方程和能量方程离散化，可以得到液固两相流动的数值解。
数值模拟方法的优势在于可以对复杂的流动过程进行模拟，得到详细的流动特性。
例如，在石油开采过程中，可以通过数值模拟来研究井底气液两相流动的规律，优化井筒结构，提高采油效率。
此外，在化工过程中，数值模拟也可以用来研究泡沫流动的特性，优化反应器的设计，提高反应效率。
二、实验验证方法实验验证是研究液固两相流动力学特性的另一种重要方法。
通过设计实验装置，观察和测量流动过程中的各种参数，可以得到实际的流动特性。
例如，在石油开采中，可以通过在实验室中模拟井底气液两相流动的条件，测量流速、压力等参数，验证数值模拟的结果。
此外，在化工过程中，也可以通过实验来研究泡沫流动的特性，观察泡沫的形态、稳定性等参数。
实验验证方法的优势在于可以直接观察和测量流动过程中的现象，得到真实可靠的数据。
通过与数值模拟结果进行对比，可以验证数值模拟的准确性，并进一步改进模型和算法。
此外，实验验证还可以提供更多的细节信息，帮助研究人员深入理解液固两相流动的机理。
三、数值模拟与实验验证的结合数值模拟和实验验证是相辅相成的两种方法，在研究液固两相流动力学特性时，二者的结合可以提高研究的准确性和可靠性。
首先，通过数值模拟可以预测流动的趋势和规律，为实验设计提供依据。
其次，通过实验验证可以验证数值模拟的结果，提供真实可靠的数据。
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展流固耦合概述及应用研究进展摘要流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
总体上 ,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。
1 流固耦合概述1．1引言历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。
Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。
直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。
从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。
如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。
事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。
比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。
1.2流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。
水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究
水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究一、引言随着工业技术的发展，气液两相流在许多工业领域中都有着广泛的应用。
对气液两相流的流型进行研究可以帮助我们了解气液两相流在不同工况下的行为规律，并为工业生产提供参考依据。
本文通过数值模拟和实验研究的方法，对水平管内气液两相流的流型进行探究，旨在揭示其内在机理并提供实际应用上的指导。
二、气液两相流流型气液两相流的流型可以根据界面形态、相对速度和尺度等不同特征进行分类。
在水平管内，常见的气液两相流流型包括气泡流、毛细液膜流、层流、湍流等。
1. 气泡流气泡流是指气泡连续相沿管道轴向方向流动的流型。
气泡流的流动规律复杂，气泡的生成、增长、移动和破裂等现象会对系统产生重要影响。
2. 毛细液膜流毛细液膜流是指液滴连续相沿管道轴向方向流动的流型。
毛细液膜流具有较高的液滴保持率和较低的液滴速度，可应用于化工领域中逆流萃取、反应器和蒸馏器等设备的设计。
3. 层流层流是指气液两相在管内形成整齐分层的流动方式。
层流具有较低的气液摩擦，较小的波动和均匀的分布特点，适用于气体和液体之间传质和反应等过程。
4. 湍流湍流是指气液两相之间发生剧烈的随机运动，界面不规则、相对速度梯度大的流动现象。
湍流带来的剧烈的涡流运动能够增强传热、传质和混合效果，但同时也带来了较大的能耗和压降。
三、数值模拟方法1. 基本原理数值模拟方法一般采用基于流体动力学（CFD）的欧拉方法，通过对流体连续方程、动量方程和能量方程的离散，求解气液两相流的速度、压力和温度等物理量。
2. 模型设定通过建立水平管道的几何模型和气液两相流的初始条件，设定不同的流量、压力、温度等工况参数，以模拟实际工程中的不同场景。
3. 数值算法常见的数值算法包括有限体积法、有限元法和边界元法等。
通过基于时间和空间的离散化方法，将连续方程转化为离散方程，进而通过迭代求解得到数值解。
四、实验研究方法1. 实验设置通过在水平管内进行气液两相流实验，观察和记录不同流型的现象和特征，以定量分析其行为规律。
机械工程中的气液两相流动问题研究
机械工程中的气液两相流动问题研究在机械工程领域中，气液两相流动是一个复杂而重要的问题。
气液两相流动涉及到天然气传输、石油开采、化工工艺以及核能领域等诸多工程应用。
研究气液两相流动的行为和机制，不仅可以为工程设计提供理论依据，还能改善工艺流程，提高能源利用效率，保障工业生产的安全性。
气液两相流动是指气体和液体同时存在且相互作用的流动系统。
在一些实际工程中，气液两相流动被广泛应用，如气体输送、泡沫分离、汽车燃料喷射、核电站蒸汽发生器和原油在管道中流动等。
在这些流动过程中，气体和液体之间的相互作用对流动特性产生重要影响，因此研究气液两相流动变得至关重要。
通过实验和数值模拟，研究人员可以更好地理解气液两相流动的基本规律。
实验方面，研究人员使用流速仪器、高速摄像机、压力传感器等设备来测量气液两相流动的流体性质、速度场和压力分布。
实验结果可以提供直观的数据和现象，但也受到实验设备和环境条件的一定限制。
数值模拟方面，研究人员使用计算流体力学（CFD）方法对气液两相流动进行模拟。
CFD模拟可以通过数学模型和计算方法来预测流动行为，但也需要一定的前提条件和计算资源支持。
在气液两相流动中，界面行为是一个重要而复杂的问题。
界面即气体和液体之间的分界面，决定了两相流动的相互作用和传递过程。
界面的形态和运动方式对整个流动系统具有重要影响，如界面的存在可以增大传质和传热速率，但也可能引起携带液滴的堵塞。
因此，准确描述和预测界面行为对于气液两相流动的研究至关重要。
除了界面行为，气液两相流动中的尺度效应也是值得关注的问题。
尺度效应是指流动尺度对两相流动行为的影响。
在微观尺度上，气液两相流动的界面张力和毛细力可能会显著影响流动行为。
而在宏观尺度上，流动的粗糙度、管道直径等因素也会对两相流动产生影响。
因此，研究人员需要综合考虑不同尺度下的两相流动机制，以获得全面的研究结果。
近年来，气液两相流动的研究也得到了更多的关注。
随着科学技术的不断进步，新的研究方法和工具不断涌现，为气液两相流动的研究提供了更多可能。
C形管池沸腾两相流流场模拟与流固耦合分析
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 S1 期C 形管池沸腾两相流流场模拟与流固耦合分析徐若思1，2，谭蔚1，2（1 天津大学化工学院，天津 300350；2 天津大学浙江研究院，浙江 宁波 315000）摘要：热交换器作为化工和核电中重要的换能设备，管束的流致振动（FIV ）成为诱发管束破裂的重要因素，其安全可靠性变得尤为重要。
本文为研究非能动余热排出热交换器（PRHR HX ）运行工况下C 形管的流致振动响应，将壳侧的换料水箱（IRWST ）和C 形管进行了简化，开展了流场和振动响应的数值模拟计算。
结果表明，温度场中自然对流和强迫对流交汇引发的速度断层，由于流速的损失，气泡无法被冲刷，合并包裹管壁热性能下降，产生过渡沸腾，这种沸腾降低了热通量产生热分层的现象。
水箱可以分气液两相热流区、单相热流区和冷流区为3个区域。
其中气液两相热流区存在高湍动能，空泡率达到50%，这使得蒸汽快速生长和坍塌提供扰动的动力，并且C 形管结构阻尼比有所降低，在远离固支端的上弯管处成为诱发振动最大的区域。
根据C 形管的振动结果，在上弯管处C 形管受气液两相热流冲击时振动最为剧烈，方向为C 形管面内方向，在PRHR HX 中该位置管束容易与支撑和防振组件发生磨损，存在管束破裂的潜在危险。
关键词：C 形管；池沸腾；两相流流场模拟；流固耦合中图分类号：TQ053 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）S1-0047-09Flow field simulation and fluid-structure coupling analysis of C-tubepool boiling two-phase flow modelXU Ruosi 1，2，TAN Wei 1，2(1 School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2 Zhejiang Institute ofTianjin University, Ningbo 315000, Zhejiang, China)Abstract: As a heat exchanger is an important energy transfer equipment in chemical and nuclear power, the fluid induced vibration (FIV) of the tube bundle becomes an important factor to induce the tube bundle rupture. So the safety and reliability of the tube bundle becomes especially important. In order to study the flow induced vibration response of C-tube in the passive residual heat removal heat exchanger (PRHR HX), the in-containment refueling water storage tank (IRWST) and C-tube were simplified, and the numerical simulation of the flow field and vibration response were carried out. Simulation results showed that the intersection of natural and forced convection in the temperature field caused by the velocity disruption, due to the loss of flow velocity, vapor bubbles can not be flushed, combined and wrapped with tube, resulting in transition boiling, the boiling reduces the heat flux to produce the phenomenon of thermal stratification. According to the fluid flow characteristics, the flow field can be divided into three regions:gas-liquid two-phase hot flow region, hot flow region, cold flow region. Among them, there was high turbulence energy in the gas-liquid two-phase hot flow region, and the steam volume研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0378收稿日期：2023-03-13；修改稿日期：2023-05-08。
地下工程中的流—固耦合问题的探讨
收稿日期．２００ｌ＿０ｌ＿０５ 作者茴介：禁冰（１９６２一）．女．教授．牌上牛导师。本文编校：冉巧凤
万 方数据
】３０
辽宁工程技术大学学报（自然科学版）
第２０卷
粒、水、气三相相互作用。岩石孔裂隙刚络几何 形状和裂隙表面粗糙度对渗流的影响，固一液两 相介质应力一变形和流动耦合分析，煤与岩体应 力～气（液）渗流耦台分析，煤与岩体应力一气 （液）渗流耦合分析，岩体中应力一热一气（液） 体流动及化学材料渗流耦合分析，岩体内的两相 流动等。
粱冰，孙可明，薛强
（辽宁上程技术＾：学力学与工程科学系，
ｉ［‘ｊ’阜新１２３０００）
摘 要：缸述丁涉厦ｊ篁岩体流体相互作坩的地ｒ流叫祸合理论的进展概况和流固丰禺台作用的基本概念以及存庄的上程背景。主 要讨论，地下ｊ狸ｔｐ渡＋圃、气一固、气一被一周，热坷一流等碍台作Ｊｆｊ的机理、建横方法，如系模型、数值分析息路墨方法受未采 工棒应用・１，主要存在的问题。研究结果表明，进一步发展地下流一同耦合理论对解决地｝工稗的一系列问题肯着重要意义，多田幂耦 台分析足，｝后研究流一固耦台问题的戈键。
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万 方数据
（１３）
按理想气体处理时ｔ 变为
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式中Ｚ（尺，７＇）为气体的压缩凶子，Ｔ为绝对温度， ℃，Ｒ为与气体有关的气体常数，当真实气体可
盯¨＝仃；＋印４，
（ｆ．７ ＭＰａ）％．
（５）
气-液-固三相流混合建模与求解方法
气-液-固三相流混合建模与求解方法*范兴华 谭大鹏† 李霖 殷梓超 王彤(浙江工业大学机械工程学院, 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室, 杭州 310014)(2020 年12 月14日收到; 2021 年1 月6日收到修改稿)气-液-固三相流混合过程是一个复杂的多重流固耦合动力学问题, 颗粒参数与流道物理空间尺度之间的关系直接影响计算收敛性, 强剪切区域的流固双向耦合作用数值建模与网格处理具有较高难度. 针对上述问题,提出了一种气-液-固三相流混合的建模与求解方法. 基于流体体积-离散单元耦合模型, 建立考虑颗粒运动的三相动力学模型, 通过求解动量方程, 实现两相流体与颗粒的双向耦合. 自主开发用户自定义函数(UDF)通信接口, 得到流体与颗粒间的相互作用力, 提出了一种多孔相间耦合解法来描述颗粒运动轨迹. 以带强剪切的三相流混合过程为例, 使用该方法研究了不同充气条件对流道物理空间内自由表面、速度分布和颗粒悬浮特性的影响规律. 结果表明, 强剪切和壁面作用可以将流体的切向速度转化为轴向和径向的速度; 选择合适的充气速度可以消除自由液面的不稳定性; 增加流体的流动速度, 对于部分区域颗粒的悬浮提升作用有限. 研究结果可为复杂多相流相间作用机理研究提供有益借鉴, 也可为气-液-固三相颗粒混合生产调控提供技术支持.关键词：三相流, 固体颗粒, 流体体积-离散单元耦合, 强剪切PACS：45.70.Mg, 47.57.–s, 47.57.E–, 64.75.Ef DOI: 10.7498/aps.70.202021261 引 言气-液-固三相流混合是高端化工、锂电生产的关键工艺环节, 混合执行构件和流道物理空间需要提供较高的传质和高湍流能力, 且伴随强剪切过程. 上述要求使得气-液-固三相流混合过程非常复杂, 且难于观察整体流场及关键区域的颗粒分布[1−3]. 混合物理空间几何尺度相对于颗粒要高多个数量级, 其内部三维循环流动和湍流多相流的复杂性, 给混合执行机构优化设计、混合过程边界条件调控提出了重要技术挑战[4,5].当前计算流体力学(computational fluid dyna-mics, CFD)方法广泛应用于液-固混合过程的模拟计算, 一般基于欧拉-欧拉模型, 将颗粒固相视为连续相, 来描述相间相互渗透过程, 该模型占用计算资源比较少, 但模拟精度较低, 且无法获得颗粒运动状态[6−10]. 基于欧拉-拉格朗日模型的离散单元法(discrete element method, DEM)可以获得颗粒的运动和相互作用, 可以与不同的流体动力学计算方法相结合, 来模拟流体-颗粒流[11,12], 如格子-玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM).该方法在离散的晶格网格上使用代表流体相的虚拟颗粒, 并通过求解离散的Boltzmann方程模拟流体的流动[13]. 相关学者已经对三维LBM-DEM 耦合进行了尝试[14], 但是由于要求流体尺寸要比固体颗粒尺寸小得多, 对计算能力要求非常高, 多数针对三维问题的LBM-DEM耦合解法仍在开发中. 将CFD与离散单元法(CFD-DEM)耦合使用,可以预测颗粒尺度的变化, 颗粒-颗粒和颗粒-壁之间的相互作用都通过牛顿运动方程求解, 而颗粒-流体之间的相互作用则通过源相交换来实现. Bastien等[15]使用CFD-DEM模型, 以非常好的可靠性再现了固-液混合系统中发生的各种现象,* 国家自然科学基金(批准号: 51775501)和浙江省重点科学基金(批准号: LZ21E050003)资助的课题.† 通信作者. E-mail: tandapeng@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 研究证明, 在非惯性参考系下进行CFD-DEM模拟是可行的, 这为CFD-DEM的应用开辟了广阔的前景. Shao等[16]利用CFD-DEM耦合的模型研究了三维混合过程中的固体悬浮行为, 与实验测量和基于欧拉-欧拉方案的CFD仿真相比, CFD-DEM仿真可以提供更多流场信息. Blais等[17−19]开发了一种半解析CFD-DEM模型, 并利用该模型进行固-液混合操作的设计以及优化, 提高了颗粒悬浮比例, 改善了流型和颗粒分布, 但未考虑自由液体表面的分布及其稳定性.对于自由液体表面流, 常用流体体积(volume of fluid, VOF)模型进行模拟, Xu等[20]研究了表面涡流对混合物理空间中颗粒分散的影响, 研究发现表面涡流的产生降低了颗粒分布的均匀性, 混合挡流物理构件可使得表面涡流得到有效控制, 提高了颗粒分布的均匀性. Sun和Sakai[21]开发了一种基于欧拉-拉格朗日方法的模型, 可以模拟复杂的三相流行为, 包括自由表面的变形和颗粒引起的液体位移. Wu等[22]利用虚拟双重网格孔隙度模型改进了DEM-VOF模型, 新模型克服了计算过程中的不稳定性, 可用于固-液混合过程的流场模拟计算. Kang等[23]利用DEM-VOF模型结合雷诺压力模型(RSM), 对具有自由表面的无挡流构件的混合物理空间中的颗粒悬浮动力学进行了模拟,得到了混合流道的几何形状、叶轮转速、颗粒密度和直径等对自由表面涡流、流型和颗粒悬浮动力学的影响规律.当前关于多相流的研究主要以两相为主, 考虑三相耦合过程的多集中于自由液面, 却鲜有考虑内部充气对液-固两相的影响, 尤其是视固相为离散颗粒相的情况. 因此, 建立流体和颗粒的动力学模型, 通过求解动量方程, 实现流体与颗粒的双向耦合, 进行气-液-固三相流混合的研究, 揭示三相耦合在复杂混合过程中的作用规律非常必要.针对上述目标, 本文首先建立了气-液-固三相流动力学模型, 分别包括VOF模型、DEM模型以及两者的耦合模型; 然后进行了建模与网格划分以及边界条件和参数设置, 并进行了网格无关性验证, 进而选取最终使用的网格数量并开始不同案例的数值计算; 自主开发用户自定义函数(user defined function, UDF)通信接口, 得到流体与颗粒间的相互作用力, 提出了一种多孔相间耦合解法来描述颗粒运动轨迹; 最后通过计算结果讨论了充气对自由液面、流体速度以及颗粒悬浮的影响, 揭示了不同充气条件下混合物理空间内多相流的演变规律并得出了相应结论.2 三相流动力学模型对于VOF-DEM模型耦合的多相流, 通过对体积平均的Navier-Stokes方程进行求解, 进而对连续相的流体进行描述, 针对VOF模型还存在自由液面的问题, 气-液两相存在明显交界面, 可通过2.1节模型求解气-液两相问题. 同时使用离散单元法对固体相颗粒进行建模, 可通过2.2节模型求解. 这两个模型以一定的时间步间隔进行双向耦合交换数据, 一般CFD的时间步长明显大于DEM时间步长, 以便正确获得接触作用, 颗粒通常不会在单个DEM时间步长中移动很远的距离.因此, 不需要两者1∶1的时间步长比, 对于DEM, CFD的时间步长比一般从1∶10到1∶100不等, 两者耦合时选择合适的时间步长比, 不仅可以节省计算时间, 还可以避免计算的发散.2.1 VOF模型混合过程中存在复杂的气-液两相耦合现象,所以应该用多相流模型来描述. VOF模型是基于欧拉网格下的表面追踪模型, 通过求解单相或多相的体积分数来追踪和捕捉互不相融流体间的交界面. 通过计算各相的控制方程, 能够准确地模拟混合过程中多相组分的动态演化和瞬态特征的捕捉,其中流体的连续性方程和动量方程表示如下[21]:ρfεfµF pfF st式中, 是流体密度, 是空隙率, u是流体速度, p是压力, 是流体动力黏度, 是颗粒流体间的相互作用项的反作用力, 是自由液面附近的表面张力. 为了提高模拟精度, 使计算更加接近实际情况, 本文采用连续表面张力(continuum surface force, CSF)模型处理表面张力, 其表达式如下:σκ式中是流体的表面张力系数; 而是气-液相界面的曲率, 其表达式为n =∇·α2其中是次相体积分数的法向量.对于VOF 模型气-液两相的交界面可通过界面传输方程求解:αα=10<α<1α=0其中 是液体的体积分数, 若 , 代表该计算单元全是液相, 不含气相; 若 , 则说明该计算单元内同时包含气、液两相; 若 , 代表该相全部是气相. 因此, 基于VOF 模型可以求解气-液交界面的相互作用过程, 尤其是在强剪切作用下的气相剥离过程.k -ε此外, 多相流环境中尤其是强剪切区域处于湍流状态下, 为了能够得到精确的模拟结果, 流体控制方程选择标准的湍动能-耗散( )模型, 该模型在剧烈变化的流场中有较好的计算性能, 其控制方程如下[24]:εG k G b Y M C 1εC 2εC 3εi,j x,y,z σk σε式中, k 是湍动能; 是湍动能耗散率; 是由于平均速度梯度引起的湍动能产生项; 是由于浮力影响引起的湍动能产生项; 为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响; , , 为经验常数, 张量下标 表示 三个方向分量; ,为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数.2.2 DEM模型在考虑流体相时, 已经引入了颗粒与流体间的相互作用, 因此在该部分将分析颗粒模型. DEM 是一种可以用于计算非连续颗粒的运动规律, 并且可以分析离散颗粒接触力以及运动的分析模型. 此模型中, 将颗粒相视为离散相, 相比于其他方法更加贴近实际, 更能还原颗粒的真实运动情况, 颗粒的运动是基于牛顿第二定律的计算得出的, 通过计算可以得到颗粒的平移、旋转的速度和位置随时间的变化关系, 颗粒的平移运动取决于作用在其上的力的总和, 而旋转运动则由接触的转矩控制, 其控制方程可表示为[16,25]m i x i F c ,ij F pf ,i I i θp ,i T t ,ij T r ,ij 式中, 是颗粒i 的质量; 是颗粒的位移; 是颗粒i 和j 之间的接触力; 是颗粒i 与流体间的相互作用力; g 是重力加速度; 是颗粒i 的惯性力矩; 是颗粒i 的角位移; 和 是作用在颗粒上的切向和滚动摩擦力矩, (8)式和(9)式中包含的一些力和扭矩的详细计算见如下公式.接触力:法向接触力:.切向接触力:切向摩擦力矩:滚动摩擦力矩:颗粒-流体作用力:Y ∗R ∗δcn ,ij δct ,ij S cn ,ij S ct ,ij m ∗v cn v ct L ij n ij µr ωij ∆V n p 这里 表示接触颗粒间等效杨氏模量; 表示接触颗粒间等效半径; , 分别表示接触颗粒间法向、切向重叠大小; , 分别表示接触颗粒间法向、切向接触刚度; 表示接触颗粒间等效质量; , 分别表示接触颗粒间的法向、切向相对速度; 表示接触颗粒间中心距离; 表示接触颗粒间单位矢量; 表示颗粒的滚动摩擦系数; 表示颗粒接触平面上的角速度矢量; 是颗粒i 所在的计算网格的体积; 表示颗粒数量;f pf ,i f d ,i f ∇p,i f ∇τ,i f st ,i f vm ,i f B ,i f Saff ,i f Mag ,i F pf 表示颗粒i 受到的所有流体、固体对颗粒作用之和, 包括曳力 [26,27]、压力梯度力 、黏性力、表面张力 、虚拟质量力 、Basset 力 、Saffman 升力 [28]和Magnus 升力 [23].由于动量方程表达式已经直接包含了压力、黏性力和表面张力, 所以在 中相应地把这些力减去了.2.3 耦合模型为了获得流体与颗粒间准确的相互作用力, 提出了一种相间耦合解法—多孔模型来描述精确的颗粒运动轨迹, 其计算表达式如下:εps ,i 式中, 代表流体单元内第i 个多孔球单位体积内的颗粒体积. 该模型克服了传统方法中当颗粒粒径接近网格尺寸时引起的计算不稳定性问题, 改善了颗粒-流体的相互作用, 并且在计算过程中, 把颗粒的体积考虑在内, 因此, 用该方法求解出的流场也更加精确.将2.1节和2.2节两个模型以及多孔模型的控制方程写入接口程序, 进行编译, 最终通过动量方程中的动量源交换项实现双向耦合, 这样VOF-DEM 耦合通过编好的用户自定义函数(UDF)进行数据通信, 实现欧拉双流体相和拉格朗日颗粒相的双向耦合.整体模型的计算流程如上图1所示. 首先对流场和颗粒场进行初始化, 该过程通过CFD 计算接口文件实现; 然后, 开始计算, 通过2.1节(1)式和(2)式迭代求解得到流场的速度和力等信息, 求解(5)式得到关于自由液面的变化信息, 通过(6)式和(7)式计算流体的湍动能-耗散; DEM 通过利用2.2节的(8)式和(9)式迭代计算获得颗粒的速度和位置等信息, 并进行更新; 接着通过判断收敛与否, 进行选择, 如果不收敛通过求解2.3节(17)式得到流体单元的空隙率, 继续前述流场的计算, 如此循环实现双向耦合, 互相交换数据, 直到收敛停止计算, 完成模拟.3 数值计算3.1 物理模型与网格划分研究所选取的物理混合空间为带挡流板的半圆底容器, 混合执行构件为叶轮, 结构如图2所示,具体物理参数如下: 直径T = 200 mm, 高度H =3T /2, 液位高度h l = T , 叶轮直径D = T /2, 桨叶长度L = 45 mm, 宽度W = T /10, 厚度t = 2 mm,倾斜角为45°, 安装高度C = 93 mm, 搅拌轴直径d 1 = 14 mm, 底部进气口直径d 2 = 14 mm, 高度h a = 4 mm, 挡流板高度h b = 11 T /10, 宽度为T /10.图 2 混合空间结构示意图Fig. 2. Diagram of mixed space structure.首先建立混合物理空间三维模型, 对流体域进行网格划分, 最终生成的网格如图3所示. 为了方便计算, 流体域被划分为包含混合叶轮的转子区域和除此以外的静子区域两部分. 然后对流体域进行离散化处理, 由于转子区域的变化梯度较大, 尤其是混合叶轮这种小尺寸, 强剪切区域变化梯度最大, 划分时要特别注意, 所以要进行局部网格的加密处理, 划分后的静子区域网格尺寸为7 mm, 转子区域网格尺寸为5 mm, 叶面网格尺寸进一步细化为3 mm, 进气口也进行适当的加密, 网格尺寸为3 mm, 划分网格后, 网格的正交质量保持在0.5以上, 最终用于计算的网格数目为31万.图 1 VOF-DEM 耦合计算流程图Fig. 1. VOF-DEM coupling calculation flowchart.3.2 边界条件及参数选择k -ε混合过程模拟采用了瞬态的VOF 模型计算,选择显式的时间离散格式, 湍流模型使用标准的湍动能-耗散( )模型, 该模型具有较高的物理可靠性, 可为混合湍流过程提供精确解, 近壁区域选择标准壁面函数. 混合容器顶部设置为压力出口边界条件, 容器壁面为无滑移壁面边界条件, 底部为充气管道, 并采用速度入口边界条件. 数值求解方法使用coupled 方案, 该解法耦合了动量、能量及组分方程, 能比较快地得到收敛解, 动量离散格式、湍动能和湍动能耗散率离散格式均采用二阶迎风以获得精确的解[29−31], 体积分数离散格式使用分段线性界面重构(piecewise linear interface construction, PLIC)算法, 这种方法是精度最高的一种[24,29], 监视器收敛残差均为10–6.叶轮旋转模型常用到滑移网格(sliding-grid,SG)方法和多重参考系(multiple reference frames,MRF)方法. 其中, SG 方法常用于瞬态模拟, 而MRF 方法通常用于稳态模拟, 文献[32]采用两种方法对比得到的最终结果非常相似. MRF 方法也能够用于瞬态仿真, 此种情况是以伪稳态方式进行计算, 与更准确、但更耗时的SG 方法相比, 可节省大量计算机资源, 精度能满足多数场景的需要[33−35]. 因此本次模拟采用瞬态MRF 方法进行.对于MRF 方法, 需要将流体区域划分为内部动区域和外部静止区域两部分, 两部分通过交界面(interface)进行数据传递. 对于本研究所涉及的其他物理参数设置, 见表1.3.3 网格无关性分析网格的大小会直接影响数值模拟的结果, 一般情况下, 网格越小, 计算结果也越精确, 但是, 随之带来的是网格数量也越来越多, 需要更多的计算时间才能收敛, 给计算带来了很大的困难. 因此, 有必要进行网格独立性研究, 以确保计算误差在可接受的范围内, 得到准确的模拟结果. 本次以倾角45°的桨式叶轮进行网格无关性验证, 模拟转速为400 r/min 时的混合流场, 使用了四种网格尺寸,总网格数分别为219000, 311000, 425000, 661000,考察网格数量对模拟结果的影响, 对5 s 时槽内Z = 150 mm, Y = 0 mm, X 从–100到100 mm 的轴向速度场进行对比, 结果如图4所示.可以发现流场在不同位置的轴向速度具有相似的趋势, 但网格数量为219000时整体具有较大的误差, 而其他三种网格计算误差在5%以内, 满足网格独立性要求. 基于上述结果, 后面计算模型所采用的网格数量均为311000, 这样既减少了计算量, 又可以得到比较准确的结果.表 1 流体和颗粒特性设置Table 1. Characteristics settings of fluid and particle.参数值ρa kg ·m −3空气密度 /( )1µa Pa ·s 空气黏度 /( )1 × 10–5ρw kg ·m −3水密度 /( )1000µw Pa ·s 水黏度 /( )0.001ρp kg ·m −3颗粒密度 /( )1100d p 颗粒直径 /mm 1n p颗粒数目 10000Y P MPa颗粒杨氏模量 / 1νP 颗粒泊松比 0.25Y w MPa壁面杨氏模量 / 70000νw 壁面泊松比 0.3µr 滚动摩擦系数 0.01µs 静摩擦系数 0.5e r恢复系数 0.5ωr ·min −1搅拌桨速度 /( )400∆t CFD s CFD 时间步 / 2×10−4 ∆t DEM s DEM 时间步 / 2×10−5 ∆t coupling s耦合时间步 / 2×10−4(a)(c)(b)图 3 网格划分 (a) 静子区域网格; (b) 转子区域网格;(c) 叶轮网格Fig. 3. Grids division: (a) Grids of stator region; (b) grids of rotor region; (c) grids of impeller.4 结果与讨论如前所述, 气-液-固三相混合物理空间内部是一个复杂的湍流环境, 挡流构件的存在增加了搅拌速度下湍流场的无序性和非线性, 为了获得其中的流体-固体多相耦合和相间传质特性, 将深入研究对比不同充气条件下对混合空间内自由表面、流体流动和固体颗粒悬浮的影响. 在数值算例中, 颗粒直径均为1 mm, 颗粒数目均为10000, 且颗粒随机分布在混合容器的底部区域内, 在初始条件下仅受重力作用.4.1 对自由液面的影响基于数值模拟的结果, 首先研究充气状态对自由液面的影响, 图5为t = 5 s 时四种充气条件下混合空间内的实际自由液面图, 蓝色为自由液面的演化形态, 分别对应充气速度为0, 0.01, 0.05和1 m/s. 为了能够清晰地看出自由液面的变化, 隐藏了底部液体和颗粒, 只保留了自由液面.通过图5(a)—(d)可以看出, 在图5(a)未充气的混合空间中液面存在小幅的波动, 因为底部搅拌对流场的扰动能量向上传输至自由液面时, 能量的衰减不足以对液面造成较大的扰动, 而这种轻微的波动主要是颗粒和液体的相互作用造成的; 对比之下, 充气速度v = 0.01和v = 0.05 m/s 时, 如图5(b)和图5(c)时两者液面波动都很小, 显然传输的湍动能依然达不到自由液面的扰动阈值; 而当充气速度v = 1 m/s 时, 其自由液面如图5(d)所示, 可以看出液面波动非常大, 尤其是挡流板之间的区域, 液面上升明显, 有漩涡的产生, 这主要是因为除了颗粒对液面的影响之外, 底部充气速度较大, 增加了湍流场的流体上冲动能, 对三相流系统造成了较大的扰动, 且气体上浮溢出造成了液面的不稳定, 进而有较大的振荡.针对上述充气扰动液面的现象, 考虑与搅拌下流场的流动模式密切相关, 图6给出了不同充气条件下的切向速度矢量图. 从图6可以看出, 四种条件下挡流构件附近的切向速度都是该截面内最小的, 是因为挡流构件将流体的切向速度转换为了轴向速度. 而当高速旋转的流体与挡流构件接触时,快速接触过程必然引起局部湍流涡团的耗散, 增加了流动模式的随机性, 故挡流构件附近的液面振荡相对明显. 同时, 通过对比可以发现, v = 1 m/s 时的流体切向速度分布极不均匀并且最大, 较强的充气强度对底部分布的颗粒相起到扰动作用, 在搅拌速度和底吹作用下, 整个流场处于非线性湍流状态, 这也是引起自由液面漩涡和波动的主要原因; 而其他三种状态下的切向速度则相对较小, 其中 v = 0.05 m/s 时的切向速度最均匀, 相对比较A x i a l v e l o c i t y /(m S s -1)Position/m图 4 四种网格尺寸在t = 5 s 时的轴向速度分布Fig. 4. Axial velocity distribution of four grid sizes at t = 5 s.(a)(b)(c)(d)图 5 t = 5 s 时四种充气条件下混合空间内的自由液面 (a) v = 0 m/s; (b) v = 0.01 m/s; (c) v = 0.05 m/s;(d) v = 1 m/sFig. 5. Free surface under four aeration conditions at t =5 s: (a) v = 0 m/s; (b) v = 0.01 m/s; (c) v = 0.05 m/s;(d) v = 1 m/s.稳定, 其对应的自由液面也是最稳定的, 这也与文献[23]的结论相吻合.通过与文献[22]关于自由液面的结果的对比可以发现, 本研究的混合容器虽然加装了挡流构件, 在不充气或者低充气速度时, 可以有效地消除混合过程中可能形成的漩涡的影响, 稳定混合空间内环境, 但是当充气速度过高时, 内部流场受到强烈扰动, 自由液面也会有大幅波动.4.2 对流体速度的影响为了研究不同的充气状态对混合空间内流体速度的影响, 选取了t = 5 s时, 混合容器内径向位置r = 60 mm, 轴向高度从0到200 mm的速度分布情况, 如图7所示. 从图7可以看出, 最大速度出现在靠近叶轮的区域, 底部充气会使得出现最大速度的高度上移, 但并不是充气速度越大最大速度出现的位置越靠上, 四种流体速度分布出现最大速度的高度由低到高依次是充气速度为v = 0, v = 0.05, v = 0.01和v = 1 m/s时的混合空间.上述现象主要原因为当轴向的充气速度介入流场时, 轴向动能和流场的切向动能发生了对冲能量耗散, 虽然流场的湍流随机性增加, 但流动的无序性对整个流场的总速度有所影响.2.0(a)(b)(c)(d)Tangentialvelocity/1-11.51.00.5图 6 t = 5 s时, 四种充气条件下混合空间内z = 0.15 m高度截面的切向速度矢量图 (a) v = 0 m/s; (b) v = 0.01 m/s;(c) v = 0.05 m/s; (d) v = 1 m/sFig. 6. Tangential velocity vector in height z = 0.15 m un-der four aeration conditions at t = 5 s: (a) v = 0 m/s; (b) v =0.01 m/s; (c) v = 0.05 m/s; (d) v = 1 m/s.Velocity/(mSs-1)Axialvelocity/(mSs-1)Axial height/m Axial height/mRadialvelocity/(mSs-1)Axial height/mTangentialvelocity/(mSs-1)Axial height/m图 7 径向位置r = 60 mm处的轴向高度速度分布 (a) 总速度; (b) 轴向速度; (c) 径向速度; (d) 切向速度Fig. 7. Axial velocity distribution at radial position r = 60 mm: (a) Total velocity; (b) axial velocity; (c) radial velocity; (d) tangen-tial velocity.从总速度、轴向速度和径向速度可以看出四种充气状态下的速度分布曲线趋势走向是相同的, 而对于切向速度, 在充气速度为v = 1 m/s 的桨叶下方的流体切向速度方向和其他三种情况方向完全相反. 显然, 当充气速度足够大时, 气相对整个流场的流动模式造成较大的扰动, 剪切流动变得复杂, 增加了流场的湍流混沌特性. 此外还可以看出,由于挡流构件的存在以及壁面的影响, 可以将切向速度转化为轴向速度和径向速度, 所以从图7可以看出切向速度的幅度要小于轴向速度和径向速度.4.3 对颗粒悬浮的影响图8、图9、图10和图11是四种充气状态下混合空间内三相流的模拟计算结果, 截取了部分时刻的运动状态, 这些时刻基本包含了混合过程中的所有情形, 具有一定的代表性, 其中颗粒的颜色表示颗粒的速度大小. 可以很清楚地看到在t = 1 s 时, 底部沉积的颗粒在桨叶旋转带动流体的作用下被卷吸起来. 初始状态时, 搅拌扰动流场, 增加了流场的切向流动和叶轮底部的轴向上升流运动, 颗粒以较小的速度向上升起.在t = 1.3 s 时, 颗粒群到达叶轮, 受到高速旋转的作用, 被桨叶打散高速向周围扩散, 同时可看出, 颗粒群在v = 0.01, 0.05和1 m/s 要先于v = 0情况分散开. 这是因为底部吹气在初始状态就增大了流场的轴向剪切流动能量, 诱导流体的轴向速度=1.0 s =1.3 s =1.5 s =1.7 s =2.0 s=3.0 s1.00P a r t i c l e v e l o c i t y /(m S s -1)0.750.500.250图 8 v = 0 m/s 时不同时刻的三相混合系统模拟结果Fig. 8. Simulation results of three-phase stirred system at different time when v = 0 m/s.=1.0 s =1.3 s =1.5 s =1.7 s =2.0 s=3.0 s1.00P a r t i c l e v e l o c i t y /(m S s -1)0.750.500.25图 9 v = 0.01 m/s 时不同时刻的三相混合系统模拟结果Fig. 9. Simulation results of three-phase stirred system at different time when v = 0.01 m/s.=1.0 s =1.3 s =1.5 s =1.7 s =2.0 s=3.0 s1.00P a r t i c l e v e l o c i t y /(m S s -1)0.750.500.250图 10 v = 0.05 m/s 时不同时刻的三相混合系统模拟结果Fig. 10. Simulation results of three-phase stirred system at different time when v = 0.05 m/s.增加, v = 1 m/s 时最为明显, 如图7(b)所示. t =1.5 s 时, 颗粒受到流场离心力的作用下扩散到容器壁面和挡流构件, 在两者的作用下, 颗粒流动转变为上下两个方向的运动状态, 表明当旋转流场与挡流构件接触过程时, 流场以切向为主的流动模式遇阻, 切向速度流动转变为上下剪切流动模式. 剩余流场的湍动能推动部分颗粒作上升流运动, 另一部分颗粒在重力作用向下流动, 壁面附近的湍动能难以对这部分颗粒提供足够的驱动动能.随着时间的推移, 在t = 1.7 s 时, 颗粒到达自由液面附近, 受到液面振荡的作用, 分散至容器的各个位置; 随后的t = 2和3 s 时, 除v = 1 m/s 的混合空间外, 其他变化已经不明显, 趋于稳态, 可以看出, 速度最大的颗粒分布在叶轮附近, 具有较高速度的颗粒分布在容器的下部, 而越靠近液面处, 颗粒速度越低, 到达液面时速度几乎为0, 此区域的颗粒群对气-液交界面的冲击非常微小, 颗粒停止上升, 只有挡流构件附近的颗粒群受到局部流体漩涡的裹挟作用, 会继续上升, 形成局部的凸液面. 此外, 上下两股流动实现了循环, 对颗粒分散效果有良好的促进作用, 且除v = 1 m/s 外, 其他都相对稳定, 颗粒分布都是对称的.从整个时间段上三相流的模拟计算结果对比,还可以看出底部充气使得下部伞状颗粒群伞柄处要比未充气状态的细, 而v = 1 m/s 工况下, 随着混合的进行颗粒受到的作用不均匀, 底部伞状颗粒群会被破坏, 运动状态也更加复杂, 液面波动也会更加剧烈, 难以实现稳态.为了更准确、更直观地描述颗粒分布的均匀性, 引入相对标准偏差(relative standard devia-tion, RSD)表征颗粒在液相中的分散效果[36], 在这项工作中, 将液体覆盖的区域分为12个部分(3 ×1 × 4), 即12个等体积的采样空间. 通过多个样本空间内颗粒数目的相对标准偏差随时间的变化作为评价指标. 其评价公式如下:avgX i X avg X i 其中 是采样空间i 中的颗粒数量, 是 的平均值, n 为划分的采样空间的数量. 从上面的相对标准偏差RSD 评价公式可以看出, RSD 越小代表颗粒在计算区域内的颗粒悬浮效果越好. 图12绘制了底部不同充气工作条件下的RSD 随时间的变化曲线.从图12可以看出, 在混合容器刚开始工作的一段时间内由于颗粒沉积在底部, 随时间移动较缓慢, RSD 的数值较大, 颗粒分布极不均匀,所以RSD曲线有一段上升趋势,这段时间里底部充气的混合空间由于气体的作用使得一部分颗粒上升较快, 相对未充气的颗粒率先上浮,所以RSD 值要低一些. 随着混合过程的持续进行, 颗粒到达叶轮高度, 在叶轮的作用下移动速度加快, 逐渐分散=1.0 s =1.3 s =1.5 s=1.7 s=2.0 s=3.0 s1.00P a r t i c l e v e l o c i t y /(m S s -1)0.750.500.250图 11 v = 1 m/s 时不同时刻的三相混合系统模拟结果Fig. 11. Simulation results of three-phase stirred system at different time when v = 1 m/s.R S DTime/s图 12 不同充气工作条件下的RSD 随时间的变化Fig. 12. RSD changes with time under different aeration conditions.。
气液两相流动的数值模拟
气液两相流动的数值模拟引言气液两相流动是一种复杂的流体现象，广泛应用于化工、能源和环境等领域。
为了研究和优化气液两相流动的过程，数值模拟成为一种重要的工具。
本文将介绍气液两相流动的数值模拟方法及其应用，并对相关技术进行分析和比较。
1. 数值模拟方法气液两相流动的数值模拟方法主要包括欧拉法、拉格朗日法和欧拉-拉格朗日耦合法。
欧拉法基于流体的宏观性质，将流体看作是连续的介质，通过求解Navier-Stokes方程来模拟流动过程。
拉格朗日法则是以流体的微观性质为基础，对流体进行粒子追踪，通过求解基于粒子的质点运动方程来描述流动。
欧拉-拉格朗日耦合法则是将欧拉法和拉格朗日法相结合，综合考虑流体宏观和微观性质，使得模拟结果更加准确。
选择适合的数值模拟方法需要充分考虑流体性质、流动特点和计算资源等因素。
2. 数值模拟过程数值模拟气液两相流动的过程可以分为准备工作、建模和求解三个步骤。
2.1 准备工作在进行数值模拟前，需要对流动区域进行几何建模和边界条件的设定。
根据实际情况，可以采用CAD软件构建三维模型，并将模型导入数值模拟软件中。
边界条件包括入口条件和出口条件，以及固体壁面的边界条件。
入口条件包括流体的质量流率、速度和温度等参数，出口条件可以是静压或者设定的速度和压力等参数。
2.2 建模在建模阶段，需要选择适当的数值模型和求解方法。
对于气液两相流动，常用的数值模型包括两流体模型、VOF（Volume of Fluid）模型和Eulerian-Eulerian模型。
两流体模型将气液两相看作是不同的物质，通过求解两个连续介质的守恒方程来描述两相流动。
VOF模型则将气液两相看作是同一物质的不同相态，通过跟踪气液界面的位置来模拟两相流动。
Eulerian-Eulerian模型是综合两流体模型和VOF 模型的优势，对流体的宏观和微观性质进行耦合求解。
求解方法常用的有有限体积法、有限差分法和有限元法等。
2.3 求解在求解阶段，可以利用数值模拟软件对建模结果进行求解。
水平管内气液两相流流型研究综述
题目: 水平管内气液两相流流型研究综述摘要：气液两相流的研究对工业技术很大的意义，流行的确定与研究对进一步揭示两相流的一些基本规律，深入研究流动和传热特性，推动两相流的发展和研究。
阐述国内外两相流流型的研究状况，主要对水平管内两相流型（分层流、段塞流、弹状流、环状流和分散泡状流）作综述，所采用的试验方法，各流型的形成以及相互转换的机理。
关键词：两相流流型水平管流型形成流型转换Abstract: The gas-liquid two-phase flow of great significance for industrial technology, to determine the prevalence and research further reveals some of the basic rules of two-phase flow, in-depth study of flow and heat transfer characteristics, and promote the development and study of two-phase flow. Elaborate flow pattern study abroad situation, the main type of two-phase flow in horizontal pipe (stratified flow, slug flow, slug flow, annular flow and dispersed bubble flow) for review, the test method used , and the flow pattern is formed in the conversion mechanism. Keywords:Two-phase flow patterns horizontal pipe flow pattern formingflow pattern Conversion一、前言气液两相流的研究，是随着工业技术需要发展起来的，特别是上世纪40年代，由于动力工程、化学工程、石化工程、原子能工程、航天工程及环境工程的兴起，气液两相流研究日益受到重视，促使其形成一门完整的应用基础学科。
气_汽_液_固三相流研究进展_任欧旭
气(汽)-液-固三相流研究进展*任欧旭** 张少峰 韩莉果(河北工业大学化工学院) 摘 要 纵观气-液-固三相流研究进展,大体上出现了三种趋势:(1)为实际应用而开发新型的三相循环流化床;(2)对床内的汽泡行为和粒子行为进行基础研究;(3)以计算流体力学和气液、气固以及固固相间流体力学理论为基础,依靠计算机模拟来进行设计优化和放大服务。
关键词 气(汽)-液-固 三相流 流化床 气(汽)泡行为 颗粒行为 数值模拟 多相流是一种广泛存在的混合流动形式,如石油工业中的油气、油水两相流,化学工业中的流化床反应装置中的气固两相流,以及气液固三相流等。
气-液-固三相流研究始于20世纪60年代,气-液-固三相流化床由于其具备相间接触面积大、相间混合均匀、传热传质效果好和温度易于控制等优点而得到了广泛的应用。
特别是近10年来,越来越多的三相流过程出现在石油化工、生物化工、食品化工、矿物工程及能源工程中。
所以,对气-液-固三相流的研究也就越来越重要了。
纵观气-液-固三相流研究进展,大体上出现了三种趋势:(1)为实际应用而开发新型的三相循环流化床;(2)对床内的汽泡行为和粒子行为进行基础研究;(3)以计算流体力学和气液、气固以及固固相间流体力学理论为基础,依靠计算机模拟来进行设计优化和放大服务。
1 三相流化床 气-液-固三相流化床由于其具备相间接触面积大、相间混合均匀、传热传质效果好和温度易于控制等优点而得到了广泛的应用。
随着生物化工技术的发展,最近又出现了三相循环流化床(cir culating fluidized bed,CFB),气-液-固三相循环流化床是在传统气-液两相流化床的基础上引入固体颗粒并能够实现固体颗粒的分离和再循环。
三相循环流化床是近30年来流态化发展最为迅速的一个分支。
通过几十年来的深入研究,正逐渐被广泛地应用到化工、能源、材料等领域。
与传统的流化床相比有以下优点[1]: (1)床层可以在高气速、高液速情况下操作,提高了可操作容量; (2)可以达到更均匀的气泡分布和相分布,获得更好的相间接触; (3)湍动程度更高,在反应中使局部温度升高的可能性减小; (4)粒子三维循环能不断地带走热量和实现催化剂的再生,有利于反应和操作的稳定。
气_液两相瞬变流的流固耦合研究
收稿日期:2001 12 11作者简介:周晓军(1973-),男(汉族),湖北天门人,在读博士研究生,从事多相管流及油气田集输技术方面的研究工作。
文章编号:1000 5870(2002)05 0123 04综述气液两相瞬变流的流固耦合研究周晓军,宫 敬(石油大学石油天然气工程学院,北京102249)摘要:论述了国内外气液两相瞬变流流固耦合的研究成果及现状,阐述了气液两相瞬变流的流动规律和流固耦合研究的各种方法。
评述了气液两相瞬变流、流固耦合等方面的理论模型和数值计算方法,并对不同模型和数值方法进行了比较和分析。
指出了目前两相瞬变流流固耦合研究中存在的问题,预测了流固耦合研究的方向应为两相流体瞬态时的流固耦合实验研究和耦合模型的数值计算方法研究。
关键词:气液两相流;瞬变流;流固耦合中图分类号:O 359 文献标识码:A引 言油气混输技术是当前管道输送技术发展的重要方向之一,使用油气混输技术可以使油气田开发建设费用降低10%~40%[1],但在实际生产过程中,油气流的不稳定流动和管道变形(或运动)对其的互相作用(Fluid Structure Interaction,FSI),极大地改变了流体管道系统的特性,所以,必须考虑流体与管道的耦合效应。
笔者对气液两相流的瞬态特性及流固耦合效应的研究工作进行总结概括。
1 研究成果及现状气液两相瞬变流的流固耦合研究涉及到气液两相流、瞬变流、流固耦合等多个学科。
20世纪40年代,气液两相流的研究者开始研究气体与液体两相介质在共同流动条件下的流动规律。
最初,他们借助单相流体的计算方法,把多相流假设为各向同性的混合物,忽略流型的影响,将其作为单相流体进行处理。
20世纪70年代,流型对多相流计算的影响逐渐得到重视,不断出现新的流型转换准则。
现今,人们用流动型态模型处理法研究气液两相流动,即将两相流分成几种典型的流动型态,然后按照不同的流动型态研究两相流的流动规律。
19世纪中叶,开始对管道流体瞬变流进行研究[2~3]。
流固耦合 - 基础知识
流固耦合概念流固耦合，是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。
它是流体力学(CFD) 与固体力学(CSM) 交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多物理场研究的一个重要分支。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。
变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
当你研究的问题，不仅涉及到了流场的分析，还涉及到了结构场的分析，而且二者之间存在着明显的相互作用的时候，你就考虑进行流固耦合分析。
流固耦合求解方法流固耦合问题分析根据流体域和固体域之间物理场耦合程度的不同，可分为强耦合和弱耦合，对应的求解方法分别为直接解法和分离解法。
直接解法通过将流场和结构场的控制方程耦合到同一方程矩阵中求解，即在同一求解器中同时求解流固控制方程，理论上非常先进，适用于大固体变形、生物隔膜运动等。
但在实际应用中，直接法很难将现有的计算流体动力学和计算固体力学技术真正结合到一起。
另外，考虑到同步求解的收敛难度以及耗时问题，直接解法目前主要应用于模拟分析热－结构耦合和电磁－结构耦合等简单问题中，对于流体－结构耦合只进行了一些非常简单的研究，还难以应用在实际工程问题中。
而弱流固耦合的分离解法是分别求解流体和固体的控制方程，通过流固耦合交界面进行数据传递。
该方法对计算机性能的需求大幅降低，可用来求解实际的大规模问题。
目前的商业软件中，流固耦合分析基本都采用分离解法。
ANSYS很早便开始进行流固耦合的研究和应用，目前ANSYS中的流固耦合分析算法和功能已相当成熟，可以通过或者不通过第三方软件（如MPCCI）实现ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。
气液两相流体的混合性能评估与优化
气液两相流体的混合性能评估与优化摘要气液两相流体的混合性能对于很多工程领域具有重要的意义。
本文将从混合性能的评估和优化两个方面进行探讨。
首先，我们介绍了气液两相流体的基本概念和特点，然后介绍了常用的评估指标和方法。
接下来，我们讨论了混合性能的优化方法，包括操作参数的调节和设备结构的优化。
最后，我们总结了目前研究中存在的问题，并展望了未来的研究方向。
引言气液两相流体的混合性能在很多工程领域都具有重要的意义，如化工、环境工程、能源工程等。
混合性能不仅关乎生产效率和产品质量，还直接影响设备的能耗和操作安全。
因此，评估和优化气液两相流体的混合性能是一个具有挑战性和实用价值的课题。
本文将从混合性能的评估和优化两个方面进行探讨，并尝试提出一些解决方案和研究思路，以期为相关领域的工程实践提供一定的参考。
气液两相流体的基本概念和特点气液两相流体是指同时存在气体和液体两种物质在同一空间内运动的流体。
相比于单相流体，气液两相流体具有以下几个特点：多相性气液两相流体由于同时存在气体和液体两个相态组分，因此具有多相性。
多相流体的流动行为更加复杂，包括相分布、相界面的运动、相变等。
由于多相流体的性质不同于单相流体，因此需要采用不同的评估指标和方法进行研究和分析。
相互作用气液两相流体中的气体和液体相互作用，相互之间存在着物质和能量的交换。
这种相互作用对于气液两相流体的混合行为产生重要影响。
例如，气泡在液体中的形成和破裂，液滴在气体中的分散和聚集，都是气液两相流体中相互作用的典型现象。
不均匀性气液两相流体的混合行为通常不均匀分布在系统中。
例如，在气液两相流体的管道系统中，气相和液相的浓度分布通常不均匀。
这种不均匀性可能会影响混合性能的均匀性和稳定性，因此需要对不均匀性进行评估和优化。
混合性能的评估方法为了评估气液两相流体的混合性能，需要选择合适的评估指标和方法。
下面介绍几种常用的评估方法：混合度评估混合度是评估气液两相流体混合性能的重要指标之一。
气液两相流的流型识别及其对传热的影响
气液两相流的流型识别及其对传热的影响气液两相流指的是气体和液体同时存在的流体。
在实际应用中，气液两相流广泛存在于生产、科研和工业生产等领域中，如汽车发动机、炼油装置、化工反应器等。
对气液两相流的研究，是实现流体控制和输运的关键之一。
气液两相流的流型识别是研究气液两相流的重要方向之一。
流型指的是在气液两相流中形成的不同流动状态。
通过对不同流型的识别与分析，能够对两相流的流动特性和传热情况进行更加深入的研究。
由此可以进一步探讨气液两相流在热工工程中的应用和优化。
不同的流型对传热有着不同的影响。
在气液两相流热传过程中，泡式流型的传热系数最大，涡流流型次之，膜式流型传热系数最小。
因此，在热流体系统中，选择不同的流型有利于优化整个系统的传热效果。
气液两相流的流型可以分为单相流和多相流。
单相流是指气体流体或液体流体单独存在的情况，而多相流则是指气液两相同时存在的流动状态。
在多相流中，气液两相的界面形态会对流态的变化产生显著的影响。
这主要是由于气液间的表面张力力所引起的。
基于这一特点，研究者们提出了许多基于气液界面形态的流型划分方法。
其中，常用的包括视觉识别法、传感器测量法等。
视觉识别法最初是利用摄像机记录气液两相的运动过程，再通过数字图像处理技术进行识别。
但该方法受到成本和数据处理量等因素的限制。
传感器测量法是利用不同的传感器对气相和液相进行测量，并通过不同参数的对比判断出流型。
这种方法优点在于数据精度高，但实际操作难度较大。
流型识别方法的应用，对于热交换器等传热设施的优化有着重要作用。
基于对不同流型特征的理解，开发新型气液两相流传热设备可以改善整个过程中的传热效果。
例如，修正或添加散热片、增加液相作为传热介质、利用电场等办法，均是常用的对不同流型进行优化调整的方式。
总之，气液两相流的流型识别对于实现流体控制、优化传热效果具有重要作用。
通过不同的识别方法进行分析，可以开发新型气液两相流传热设备和制定不同的传热策略，促进气液两相流的应用，在工业化和科研领域中发挥更大的作用。
流固耦合问题及研究进展
第5卷 第1期1999年3月地质力学学报JOU RNAL O F GEOM ECHAN I CS V o l .5 N o.1M ar.1999 文章编号:100626616(1999)0120017226收稿日期:1998205212基金项目:油气藏地质与开发工程国家重点实验室开放研究基金项目(PLN 9702)作者简介:董平川(19672),男,1998年在东北大学获博士学位,讲师。
现为石油大学油气开发工程在站博士后,从事储集层流固耦合理论、有限元数值模拟及其应用研究。
流固耦合问题及研究进展董平川1,徐小荷2,何顺利11石油大学,北京 昌平 102200;2东北大学,辽宁 沈阳 1100061摘 要:传统的渗流理论一般假设流体流动的多孔介质骨架是完全刚性的,即在孔隙流体压力变化过程中,固体骨架不产生任何弹性或塑性变形,这时可将渗流作为非耦合问题来研究。
这种简化虽然可以得到问题的近似解,但存在许多缺陷,而且也不切合生产实际。
比如:在油田开采过程中,孔隙流体压力会逐渐降低,将导致储层内有效应力的变化,使储层产生变形。
近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面的研究涉及许多领域。
该文介绍了有关工程涉及到的流固耦合问题,重点针对油、气开采问题,介绍了储层流固耦合渗流的特点及研究方法和理论进展,包括单相、多相流体渗流的流固耦合数学模型及有限元数值模型。
关键词:流2固耦合;理论模型;研究进展;工程应用分类号:T E 312 文献标识码:A0 引 言天然岩石不只固相介质一种,尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合。
岩石孔隙中的流体流动问题,经典渗流力学已进行了广泛研究,但它没有考虑流体流动和岩石变形之间的相互作用,而在油气开采、地下水抽放等过程中,由于孔隙流体压力的变化,一方面要引起岩石骨架应力变化,由此导致岩石特性变化;另一方面,这些变化又反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。
因此,在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响,即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。
气液两相流体流动与传热研究
气液两相流体流动与传热研究随着科技的不断发展，气液两相流体的流动与传热问题也日益受到人们的关注。
气液两相流体是指在一个封闭的容器内同时存在气体和液体两种物质，这两种物质之间会相互作用，并且会对流体的流动和传热产生影响。
如今，气液两相流体已经被广泛应用于工业领域，如石化、电力、冶金、汽车等领域。
本文将从气液两相流体的基本特点、流动和传热机理、研究方法等多个方面对气液两相流体进行探讨。
一、气液两相流体的基本特点气液两相流体是指由气体和液体组成的流体系统，具有相互作用、集聚、分散等特点。
气液两相流体的基本特点包括：相互作用、动力学行为、分布、物理性质等。
1. 相互作用：气液两相流体中，气体和液体之间会存在相互作用，如表面张力、静电等作用，这些作用力会影响到气液两相流体的流动和传热。
2. 动力学行为：气液两相流体具有一定的动力学行为，如液滴的运动、气泡的生成和破裂等，这些运动也会对气液两相流体的流动和传热产生影响。
3. 分布：气液两相流体的分布状态也非常重要，如气泡和液滴的分布密度、大小等会对气液两相流体的流动和传热产生影响。
4. 物理性质：气液两相流体的物理性质也比较复杂，如密度、粘度、导热系数等都会随着气液相对含量的变化而发生变化，这些物理性质也会影响到气液两相流体的流动和传热。
二、气液两相流体的流动和传热机理气液两相流体的流动和传热机理非常复杂，它涉及到多个领域的知识，如流体力学、热传导、相变等。
气液两相流体的流动和传热机理主要表现为以下几个方面。
1. 乱流：由于气液两相流体的非线性性和复杂性，流动可能会产生乱流，这会导致气液两相流体的速度和温度分布不均，从而影响到传热效果。
2. 相变：在一定的温度和压力条件下，气液两相流体中的气体和液体可能会相互转化，如水和蒸汽之间的相变，这种相变会对气液两相流体的传热产生重要影响。
3. 界面传热：气液两相流体中，液体和气体之间有一定的界面，这个界面上会发生传热现象，如表面传热、蒸发、凝结等都是在界面上发生的。
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文 章 编 号 ：０ ０５ ７ （０ ２ ０ —１ ３０ １０ —８ ０ ２ ０ ） ５０ ２ —４
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气 一 两 相 瞬 变 流 的 流 固耦 合 研 究 液
周 晓 军 ，官 敬
（ 油大 学石油 天 然气 工程 学院 ， 京 １ ２ ４ ） 石 北 ０ ２ ９
开发 出 了 一 些 瞬 态 模 拟 软 件 ， Ｏ￣￣ Ｔ ＩＥ、 如 Ｉ Ａ、ＡＣＴ
Ｐ Ｉ Ａ Ｐ 、］ Ａ 脚 １Ｒ Ｆ 、 １ ｌ Ｃ 等 ， 对 多 相 流 Ｏ Ⅳ３ Ａ 可
性 的混 合 物 ， 略 流 型 的 影 响 ， 其 作 为单 相流 体进 忽 将
行 处 理 。２ Ｏ世 纪 ７ Ｏ年 代 ， 型 对 多 相 流 计 算 的影 流 响 逐 渐得 到 重 视 ， 断 出 现 新 的 流 型 转 换 准 则 。 现 不 今 ， 们 用 流 动 型 态 模 型 处 理 法 研 究 气 一 两 相 流 人 液 动， 即将 两 相 流 分 成 几 种 典 型 的 流 动 型 态 ， 然后 按 照 不 同的 流 动 型 态 研 究 两 相 流 的流 动规 律 。
中图分 类号 ： ３９ Ｏ ５ 文献 标识 码 ： Ａ
引 言
油 气 混 输 技 术 是 当前 管 道 输 送 技 术 发 展 的重 要 方 向之 一 ， 用 油 气 混 输 技 术 可 以 使 油 气 田 ｏ ｋ 发 ｏ ｋ ｗｓ ｙ经 典 水 击 理 论 。 １ １ ９３
年 ， 大 利 人 ＡＩｅｉ 出 了水 击 过 程 的 微 分 方 程 和 意 ｌｖ 提 ｉ
图解 分 析 方 法 ， 展 和 加 深 了 Ｊ ｕ ｏ ｋ 扩 ｏ ｋ ｗｓ ｙ经 典 水 击 理 论 。美 国学 者 Ｓ ｒｅｅ 第 一 次 使 用 特 征 线 解 法 。 ｔｅｔｒ
设 费用 降 低 １ ％ ～４ ０ ０％… ， 在 实 际 生 产 过 程 中 ， 但
气 一 两 相 流 的压 力 传 播 问 题 Ｊ 液 。Ｗ ｉ ｅｔ 究 了 含 ｇ ｒ研 ｇ 有 自由 空 气 的管 道 瞬 变 流 动 的模 型 和 数 值 解 法 ］ 。
近２ ０年来 ， ａ ｅ 、 ｅ ｄ ｓｎ Ｍａｅｌ、 ｗｉ 等 对 石 油 Ｔ ｉ ｌ Ｂ ｎ ｉ ｅ 、 ｓｌ Ｈｅ ｔ ｔ ｋ ａ ｔ 工 业 中遇 到 的气 一 两 相 流 进 行 了 大 量 研 究 ［ １ ， 液 ８ ０ 并 ￣ ］
道 完 全 刚 性 地 固定 不 动 时 ， 析 结 果 很 准 确 。 然 而 ． 分 实 际管 道 系统 不 是 固定 不 动 的 ， 要 把 流 体 模 型 和 管 需
在 计 算 机 上 求 解 了 考 虑 摩 擦 影 响 后 的水 击 压 力 。 ２ 纪７ ０世 Ｏ年 代 以来 ， 变 状 态 下 的 气 一 两 相 瞬 液 管 流研 究 在 理论 和 实 践 中都 取 得 了很 大 进 展 。ｗ ｙｅ １ ｉ
油气流 的不稳定流动 和管道 变形 （ 或运动 ） 对其 的互
相 作 用 （ ｌｉ－ｔｕ ｔ ｒ ｎ ｅａｔ ｎ Ｆ Ｉ ， 大 地 改 ＦｕｄＳ ｒ ｃｕ ｅＩ ｔｒｃｉ ， Ｓ ） 极 ｏ
变 了流 体 管 道 系统 的 特性 ， 以 ， 须 考 虑 流 体 与 管 所 必 道 的耦 合 效 应 。 笔 者 对 气 一 两 相 流 的 瞬 态 特 性 及 液 流 固耦 合 效 应 的 研究 工 作 进 行 总 结 概 括 。
摘要： 论述 了国 内外气 一 液两 相 瞬变 ＮＮ Ｎ耦 合 的研 究 成果 及现 状 ， 阐述 了气一 两相 瞬变 流 的 流动 规 律 和流 固 液
耦 合研 究 的各种 方 法 。评 述 了气一 液两 相 瞬变流 、 固耦 合 等方 面 的理论 模 型和 数值 计算 方 法 ， 对 不 同模 型和 数值 流 并
管道 上 的 大多 数 操 作 过程 进 行 动 态模 拟 ， 泛 应 用 于 广 多相 流 管 线 的 设 计 和 运 行 控 制 等 方 面 。经 典 水 击 分 析 中 ， 考 虑 了管 道 的 弹 性 对 压 力 波 传 播 速 度 的 影 只 响， 没有 考 虑 管 道 的惯 性 和 运 动 对 波 速 的 影 响 ， 管 当
和 Ｓｒ ｔ 等对泡状两相瞬变流及 自由空气 的影 响进 ｔｅ ｒ ｅｅ 行 了 研究 ， 现 低 压 时 自由空 气 会 对 压 力 波 产 生 较 大 发 的影响＿ 。Ｍａ ｉ 等也对 汽泡状气一 ４ Ｊ ｒｎ ｔ 液两相流 中压 力 波的传播 进行 了研究Ｉ 。ｔ ａ ｉ 等研究 了分 散结 构 ５ ￣ ｔｅ ＿ｔ Ｊ
维普资讯
２０ ０ ２年 第 ２ ６卷 第 ５期
石 油 大学 学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｕ ａ ｆｔ ｅＵｎｖ ｒｉ ｆＰ ｔｏｅ ｍ ，Ｃｈｎ ｏ ｒ ｌＯ ｈ ｉｅ ｓ ｙ ｏ ｅｒ ｌｕ ｎ ｔ ｉａ
Ｖｏ Ｎｏ ５ １２６ ．
１ 研 究 成 果 及 现 状
气 一 两 相 瞬 变 流 的流 固耦 合 研 究 涉 及 到 气 一 液 液 两相 流 、 变 流 、 固耦 合 等 多 个 学 科 。２ 瞬 流 ０世 纪 ４ ０
年代 ， 一 两相流的研究者开始研究气体与液体两 气 液
相介 质 在共 同 流 动 条 件 下 的 流 动 规 律 。 最 初 ， 们 他 借 助单 相 流 体 的 计 算 方 法 ， 多 相 流 假 设 为 各 向 同 把
方 法进 行 了 比较 和 分析 。指 出了 目前两 相 瞬变 流 流 固耦 合 研 究 中存 在 的 问题 ， 测 了 流 固 耦合 研 究 的方 向应 为两 预
相流体 瞬 态时 的流 固耦 合实 验研 究 和耦 合模 型 的数 值计算 方法 研 究 。
关键 词 ： 液两 相 流 ； 气一 瞬变 流 ； 固耦合 流