动力工程及工程热物理进展

浙江工业大学

攻读硕士学位研究生课程

文献综述

专业动力工程及工程热物理

课程名称动力工程及工程热物理进展

任课教师包士毅等

姓名赵李盼

2016年1月10日

多相流技术在泵研究发展中的应用分析

概述

两相流动主要分为气液和固液的混合运动。两相流广泛应用于能源、化工、冶金,核能、冶金等领域。早在年,两相流就被用来减少波浪对建筑物的破坏作用。此后,在工程中也得到越来越广泛的应用,如在河口用气泡幕防止盐水入侵控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水质加速反应装置中的物质混合、热量交换、以及化学反应过程在城市河流污染治理中,用纯氧曝气复氧来治理污染河流、消除黑臭。在电力行业中的应用主要体现在火力发电厂的水力除灰系统中,和火力发电厂湿式石灰石洗涤法脱硫系统中。气液两相流动很大程度上取决于气泡运动形态以及分散相和连续相之间的相互作用。然而,在气液两相流动中,气液两相的流速是不同的。在流动时,气液两相的流动结构又是多样的,而且,带有随机性。有关固液两相流的问题很早就己经提出。早在年就己经较系统地研究过明渠水流中泥沙的沉降和输运。于年研究过声波在泡沫液体中传播时强度的衰减。但是许多经验和研究成果分散在各个不同领域,交流不多。直至上世纪四十年代,刁`开始有意识地总结归纳所遇到的各种现象,用两相流的统一观点系统地加以分析和研究。五十年代以后相关的论文数量显著增加,内容包括两相流边界层,空化理论,流态化技术,喷管流动等。六十年代以后,越来越多的学者开始探索描述两相流运动规律的基本方程。两相流作为一门独立的学科形成,并有了迅猛阶段,但迄今为止还没有非常成熟的体系,尚处于发展初期,很多方面都要依赖于经验数据,而且数据

的分散性很大。

一．数值模拟技术简介

1.按固液两相的耦合程度不同分类

（1）两相平衡流模型，又称为均匀流模型，它假设两相的速度彼此相等，两相有着相同的运动参数，互不影响，因而这种模型比较简单，被广泛应用于各种产品设计的理论性计算中。

（2）一方耦合模型，此模型假设流体不受颗粒存在的影响，但颗粒在流体的带动下被牵引运动，适用于颗粒浓度非常低的两相流动。（3）两相不平衡流模型，又称分离流模型，其中的两相的速度彼此不相等，两相间存在滑移速度。混合物中的各相因物化特性不同，其运动规律不可能完全一致。该模型综合考虑了两相之间的速度差异，更接近多相流的实际情况，因此较前两种模型更为精确，但同时也更为复杂。

2.按刻划的尺度和属性的不同分类

（1）连续介质模型

连续介质模型是将颗粒相看成是拟流体，颗粒相和流体相皆采用欧拉坐标描述，这是目前在两相流动研究领域中使用最为广泛的一种方法。如果其中的颗粒相仅视为一相来处理的话，常常又被称为双流体模型(Two-Fluid Model)。该模型还可以细分以下几种：无滑移模型假定所有颗粒的温度、物质密度都相等，并且它们的平均速度和当地

的流体相速度也相等，不考虑流体与颗粒的相对滑移和两相间的阻力，

颗粒扩散相当于流体组分的扩散。该模型把颗粒相处理得非常简单，易于计算，它但是没有考虑相间的速度滑移违背了客观规律，现在已基本不再应用了。小滑移模型假定颗粒在流体的夹带下运动，同相的速度、温度、物质密度和颗粒直径均相同，颗粒在流场中有扩散漂移，即小滑移。此模型是建立完整的两相流模型的开端，它考虑了颗粒的滑移和两相间因滑移而引起的相间拽力，但还是没有全面地描述颗粒的运动，与实验观察结果相差较大。滑移-扩散模型该模型既考虑了相间的平均速度滑移，又考虑了颗粒群的湍流扩散，是目前较为完善的多相流动模型。由于引入了颗粒群的运动参数，所以控制方程的求解计算量增大，对含多种不同规格的颗粒群来说不易实现。此外，目前对初始边界条件及扩散系数的确定都是经验数据，有关的参数修正系数研究还不是很充分，有待进一步探讨。

（2）颗粒群轨迹模型

离散颗粒群模型就是把颗粒作为离散介质来考虑，更符合实际流动，因此对该模型的研究较为深入。该模型可分为：单颗粒动力学模型-假设颗粒对流场没有影响，颗粒的运动互不相关，相间存在较

大的速度滑移。该模型是最早的两相流模型，它可应用解析法分析颗粒的运动轨迹以及速度的变化。它的前提条件也就限定了它只适用颗粒浓度小，滑移量相当大的流场。颗粒轨迹模型假设离散颗粒各自沿自己的轨道运动，相间存在大滑移，但不考虑颗粒群的湍流扩散。该模型已经广泛用于两相流的研究，它能够模拟复杂过程的颗粒相

运动规律，却没能全面地考虑颗粒的质量、动量和能量的湍流扩散过

程，在复杂流场中，连续的颗粒速度和浓度的空间分布也很难给出，因此，要想和实测的欧拉坐标颗粒特征对照就非常困难。颗粒湍流扩散的拉格朗日模型该模型是对颗粒轨迹模型的修正，它充分考虑了颗粒的湍流扩散效应。其修正方法有人为地加入漂移速度、漂移力的概念和用随机的方法来处理颗粒的运动两种，其中采用第二种方法较多。流体拟颗粒模型该模型从刻划单颗粒尺度上的运动行为入手，不仅将宏观离散的颗粒当成离散相处理，还将宏观连续的流体也采用拟“颗粒”性质的流体微团来处理，从而可以模拟远离平衡态的系统。这类模型对流体、颗粒的运动都是采用拉格朗日坐标来描述。

3.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