多相流技术的发展现状

多相流技术的发展现状
物质一般可分为气体、液体和固体三种相态。

气体和液体不能承受拉力和切力，没有一定的形状，具有流动性，因此统称为流体。

在流体中如有固体颗粒存在，则当流体速度相当高时，这种固体颗粒就具有与一般流体相类似的性质而可看作拟流体。

这样，在一定的条件下，就可以处理气体、液体、固体三种相态的流动问题。

经典流体力学所处理的只是一种相态的均质流体，即气体或液体的流动问题。

但是在许多工程问题以及自然界的流动中，必须处理许多不同相态的物质混合流动的问题。

通常把这种流动体系称为多相体系，称相应的流动为多相流。

最普通的多相流由两个相组成，称为二相流。

不同相态物质的物性有很大的差别，通常根据物质的相态，把二相流分为气液二相流，气固二相流，液固二相流等。

气液二相流在核电站反应堆及蒸汽发生器、火力发电厂锅炉、汽轮机及凝汽器、炼油厂分馏塔中蒸发和凝结过程以及在化工、天然气液化、海水淡化及制冷系统中的蒸发器、重沸器、冷凝器等方面均有广泛的应用。

在内燃机和燃油炉的液体燃料燃烧过程中也很重要。

近20多年来随着原子能电站的建立、高温高压火电机组的出现以及大型石油化工企业的建设，气液二相流及其传热性能在设备设计与安全运行中显得越来越重要。

气固二相流在煤粉燃烧、气力输送与分离、流化床燃烧及反应器、除尘器以及在最近发展的煤的液化和气化技术中十分重要。

火箭发动机排气中固体微粒的运动以及地球物理和天体物理中的尘埃流动也都涉及固体微粒的流动。

液固二相流在水利工程中泥沙的沉积、化学工程中流化床反应器、液体的渗流及泥浆流动等方面均很重要。

总之，多相流是一门在许多工程领域中有广泛应用的重要学科，在最近20多年中得到了迅速的发展，国际学术活动也相应增加。

多相流体力学研究的根本出发点是建立多相流模型和基本方程组。

在此基础上分析各相的压强、速度、温度、表观密度和体积分数、气泡或颗粒尺寸分布、相间相互作用（如气泡或颗粒的阻力与传热传质）、颗粒湍流扩散、流型、压力降（两相流通过管道时引起的压差）、截面含气率、流动稳定性、流动的临界态等。

描述多相流体可用不同的模型。

对各相尺寸均较大（与流动的几何尺寸相比）的体系，可对各相内部分别运用单相流体力学模型写出各自的基本方程组。

若分散相的尺寸不太大，一般用体积平均概念，即认为各相占据同一空间并相互
渗透。

这种情况下，可采取统一的连续介质模型描述多相流，其中又可分为无相间滑移的单流体模型（这时不同的相只看成是流体的不同组分）和有滑移的多流体模型或双流体模型。

按后一模型，空间各点处每一相可有其各自不同的速度、体积分数和温度。

对颗粒群悬浮体多相流，除上述模型外还有非连续介质的分散群的轨道模型和统计群模型。

其研究方法主要有半经验物理模型和统观实验法，数学模型及数值计算法，局部场的实验量测法等。

半经验物理模型和统观实验法：半经验物理模型指以实验观测为基础对多相流的流动形态作出半经验性的简化假设以便进行简化分析计算，如假定多相流为一维柱塞流(plug flow)等。

统观实验法指只研究外部参量变化规律，例如多相流在管道中的阻力或平均传热量与流速间的关系、平均的体积分数等，不研究多相流中各种变量的场分布规律。

数学模型和数值计算法：对多相流基本方程组中各个湍流输运项、相间相互作用项和源项的物理规律以实验或公设为基础提出一定的表达式，使联立的方程组封闭，能够求解，这就是建立数学模型。

联立的非线性偏微分方程组只能用数值法，如有限差分方法或有限元法求解。

已经制定了二维和三维多相湍流流动计算程序软件，可以初步用于计算旋风除尘器、煤粉燃烧室和气化室、液雾燃烧室、反应堆中水-汽系统以及炮膛中气-固或气-液各相中的压力、速度、温度、体积分数等的分布。

目前，正在研制用于工程中最优化设计的软件。

实验量测法：研究多相流的流动、传热、传质以及化学反应等规律时，观测其流型，测量各相的速度、流量、尺寸、浓度、体积分数或含气率、温度分布等十分重要。

观测流型常常用高速摄影、全息照相和电测法等。

测量颗粒尺寸分布可用印痕或溶液捕获法、光学或激光散射法、激光全息术、激光多普勒法（LDV 法）等。

测量流量、速度、浓度、重量含气率分布等可以用LDV法、取样探针、电探针、光导纤维探针、分离器法等。

测量平均截面含气率可用放射性同位素法、γ射线法、分离器法等。

多相流的特点是在相间存在相的界面，其间有作用力存在。

由于相的分布十分复杂，这使多相流的运动规律比单相流体的运动要复杂得多。

目前处理多相流的问题，大多是从宏观出发，根据单相流体的连续性理论，对多相流加以修正。

为了进一步阐明多相流的运动规律，各国学者十分重视对多相流机理的研究，以便从微观出发来研究多相流的问题。

多相流技术始于上世纪70年代，当初的计划是用于发展海上大型气田和凝析气田。

这就要求更好地掌握管线多相流的现象及水力特性。

对多相流的研究集中在管线内气体和液体的相互影响上，以便使工程技术人员能按最佳性能设计多相流管线。

开始此项研究时，工业界对未处理的油井采出物以及“间歇流”对立管、平台上层结构和陆上设施三者的设计影响都不十分了解。

现在，多相流动广泛存在于自然界和工程设备中，如含尘埃的大气和云雾、含沙水流、各种喷雾冷却、粉末喷涂、血管流、含固体粉末的火箭尾气、炮膛内火药颗粒及其燃烧产物的流动等。

就大量工程问题而言，多相流体力学主要应用于粉粒物料的管道输送、颗粒分离和除尘、液雾和煤粉悬浮体的燃烧和气化、流化床和流化床燃烧以及锅炉、反应堆、化工、冶炼和采油等装置中的气-液流动等方面，其目的是节省管道输送能量，提高分离或除尘效率，改善传热传质或燃烧中颗粒混合，改善锅炉的水循环，提高反应堆冷却的安全性等。

自工业界开始开发和研制多相泵和多相流量计以来，众多的制造公司、经营者、技术集团和研究院采用不同的方法从广泛的角度上进行了研究。

这是由于技术人员就增压和计量的最佳技术解决方法缺乏统一认识所致；唯一共识的是，一种设备无论是泵还是流量计都不可能适应于所有的流体条件，如不同的截面含气率和油水组份等。

在流动结构方面，日本神户大学坂口忠司等研究了水平通道的水流中侵入大气泡或形成气穴时的流动结构特性。

这种情况在轻水反应堆失冷事故，锅炉水平管中发生干涸, 水平管中气液二相流弹状流动以及重力流动时发生。

通过试验求得了大气泡沿遁道的速度特性及大气泡运动速度的关联式。

日本京都大学荻原良道等研究了下降环状二相流薄层液膜中界面波的结构特性，得出了在脉动波和扰动波结构时界面波的基本特性。

埃及亚历山大大学Sorour研究了垂直环管中泡状流和弹状流的转变以及泡状流时空气和水的棍合特性。

波兰沃波雷工业大学Troniewski等研究了垂直和水平矩形通道中气液混合物的流型与压降，提出了垂直管的通用流型图，修正了水平管的Baker图。

针对相的分布与份额，加拿大安大略水力研究所Chan等研究了有浸没的水
平式加热器的容器内沿水平管束池沸腾的截面含汽率分布和截面含汽率值，用50毫居钴-57伽马密度计测定加热器上部截面含汽率分布，液位和液面波动用浮子连接线性变化的差接变压器(LVDT)检测，容器内的平均截面含汽率可直接由LVDT测量得出，也可由局部截面含汽率分布积分求得。

而在多相流数学模型方面，美国新泽西史蒂文斯工学院Dobran用连续介质力学方法提出多相流基本方程组，并与以前的研究结果进行了比较。

美国伊利诺斯工学院Arastoopour等根据一般流体力学方法，用连续性和动量平衡原理，提出了单相流体及气液二相流体通过低透性介质(如紧密的沙子)的方程组，并用紧密的沙芯试样进行试验，取得了一致的结果。

对单相气体水平通过紧密沙芯试样，得出线性方程，可求得分析解，并与常用的扩散方程解作了比较。

此外，在多相流体动力学方面，美国特拉华大学Martin等收集了大量气固二相流摩擦压降试验数据及几十个计算方法，进行了全面的评述和系统的研究，以确定各关系式用于空气-固体系统摩擦压降计算的可靠性。

美国休斯顿Exxon公司Aggour等提出了气相密度对双组分二相垂直流动的流型和摩擦压降的影响的试验数据，试验气体为空气、氮和氟利昂12，液体为水，所得数据与现有模型和关系式的结果进行比较，以确定其有效性及普遍性。

除以上介绍的以外，在多相流应用与测试方面还有不少论文。

而在诸多会议上，还对沸腾与凝结、气液二相流流型与压降、反应堆与化工厂安全、气固二相流与传热、动力与化工过程中二相流设备等问题组织了专题讨论。

一致认为多相流在能源、动力、化工等许多部门有广泛应用, 目前还有许多问题未解决。

各国学者应加强合作，使研究工作日益深入。

我国在多相流研究方面原有基础比较薄弱，随着大型动力、原子能、石油化工的发展，在这方面的研究工作应予以加强。