第18章 多相流模拟

王巍雄——2003-6-19

18.多相流模拟介绍

自然界和工程问题中会遇到大量的多相流动。物质一般具有气态、液态和固态三相，但是多相流系统中相的概念具有更为广泛的意义。在多项流动中，所谓的“相”可以定义为具有相同类别的物质，该类物质在所处的流动中具有特定的惯性响应并与流场相互作用。比如说，相同材料的固体物质颗粒如果具有不同尺寸，就可以把它们看成不同的相，因为相同尺寸粒子的集合对流场有相似的动力学响应。本章大致介绍一下Fluent中的多相流建模。第19章和第20章将会详细介绍本章所提到的内容。第20章会介绍一下融化和固化方面的内容

•18.1多相流动模式

•18.2多相系统的例子

•18.3多相建模方法

•18.4多相流模型的选择

18.1多相流动模式

我们可以根据下面的原则对多相流分成四类：

•气-液或者液-液两相流：

o气泡流动：连续流体中的气泡或者液泡。

o液滴流动：连续气体中的离散流体液滴。

o活塞流动:在连续流体中的大的气泡

o分层自由面流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。

•气-固两相流：

o充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子。

o气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷、雷诺数和粒子属性等因素。最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各向同性流。

o流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导入筒内。从床底不断充入的气体使得颗粒得以悬浮。改变气体的流量，就会有气泡不断

的出现并穿过整个容器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。

•液-固两相流

o泥浆流：流体中的颗粒输运。液-固两相流的基本特征不同于液体中固体颗粒的流动。在泥浆流中，Stokes数（见方程18.4-4）通常小于1。当Stokes

数大于1时，流动成为流化（fluidization）了的液-固流动。

o水力运输:在连续流体中密布着固体颗粒

o沉降运动:在有一定高度的成有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质。随后，流体将会分层，在容器底部因为颗粒的不断沉降并堆积形成了淤

积层，在顶部出现了澄清层，里面没有颗粒物质，在中间则是沉降层，那里

的粒子仍然在沉降。在澄清层和沉降层中间，是一个清晰可辨的交界面。

•三相流(上面各种情况的组合)

上述的各种流动模式如图18.1.1所示：图18.1.1多相流动模式

18.2多相系统的例子

18.1节给出的各流动模式对应的例子如下：

•

气泡流例子：抽吸，通风，空气泵，气穴，蒸发，浮选，洗刷•

液滴流例子：抽吸，喷雾，燃烧室，低温泵，干燥机，蒸发，气冷，刷洗•

活塞流例子：管道或容器内有大尺度气泡的流动•

分层自由面流动例子：分离器中的晃动，核反应装置中的沸腾和冷凝•粒子负载流动例子：旋风分离器，空气分类器，洗尘器，环境尘埃流动

泥浆流气泡，液滴，或

颗粒负载流

分层自由面流动气动输运、水力输运、

或泥浆流

沉降流化床

•风力输运例子：水泥、谷粒和金属粉末的输运

•流化床例子：流化床反应器，循环流化床

•泥浆流例子:泥浆输运，矿物处理

•水力输运例子：矿物处理，生物医学及物理化学中的流体系统

•沉降例子：矿物处理

18.3多相建模方法

计算流体力学的进展为深入了解多相流动提供了基础。目前有两种数值计算的方法处理多相流：欧拉－拉格朗日方法和欧拉－欧拉方法。

•18.3.1欧拉－拉格朗日方法

•18.3.2欧拉－欧拉方法

18.3.1欧拉－拉格朗日方法

在Fluent中的拉格朗日离散相模型（详见第19章）遵循欧拉－拉格朗日方法。流体相被处理为连续相，直接求解时均纳维-斯托克斯方程，而离散相是通过计算流场中大量的粒子，气泡或是液滴的运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。

该模型的一个基本假设是，作为离散的第二相的体积比率应很低，即便如此，较

大的质量加载率()仍能满足。粒子或液滴运行轨迹的计算是独立的，它们被安排在流相计算的指定的间隙完成。这样的处理能较好的符合喷雾干燥，煤和液体燃料燃烧，和一些粒子负载流动，但是不适用于流-流混合物，流化床和其他第二相体积率不容忽略的情形。

18.3.2欧拉－欧拉方法

在欧拉－欧拉方法中，不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。由于一种相所占的体积无法再被其他相占有，故此引入相体积率（phasic volume fraction）的概念。体积率是时间和空间的连续函数，各相的体积率之和等于1。从各相的守恒方程可以推导出一组方程，这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系，从而能使上述方程封闭，另外，对于小颗粒流（granular flows）,则可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭。

在FLUENT中,共有三种欧拉-欧拉多相流模型，分别为：流体体积模型（VOF），混合物模型，以及欧拉模型。

VOF模型

所谓VOF模型（详见第20.2节），是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时，可以采用这种模型。在VOF 模型中，不同的流体组分共用着一套动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下各流体组分所占有的体积率。VOF模型的应用例子包括分层流，自由面流动，灌注，晃动，液体中大气泡的流动，水坝决堤时的水流，对喷射衰竭（jet breakup）(表面张力)的预测，以及求得任意液－气分界面的稳态或瞬时分界面。

混合物模型

混和物模型（详见第20.3节）可用于两相流或多相流（流体或颗粒）。因为在欧拉模型中，各相被处理为互相贯通的连续体，混和物模型求解的是混合物的动量方程，并通过相对速度来描述离散相。混合物模型的应用包括低负载的粒子负载流，气泡流，沉降，以及旋风分离器。混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。

欧拉模型

欧拉模型（详见第20.4节）是Fluent中最复杂的多相流模型。它建立了一套包含有n个的动量方程和连续方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的。耦合的方式则依赖于所含相的情况，颗粒流（流－固）的处理与非颗粒流（流-流）是不同的。对于颗粒流，可应用分子运动理论来求得流动特性。不同相之间的动量交换也依赖于混合物的类别。通过FLUENT的客户自定义函数（user-defined functions），你可以自己定义动量交换的计算方式。欧拉模型的应用包括气泡柱，上浮，颗粒悬浮，以及流化床。

18.4多相流模型的选择

解决多相流问题的第一步，就是从18.1节中挑选出最能符合实际流动的模式。在18.4.1节中，将对如何根据不同的模式，挑选恰当的模型给出最基本的原则，然后在18.4.2节中，将就以下的问题给出具体的方法：即如何给定相与相之间（包括气泡，液滴，和粒子）耦合的程度，以及如何针对不同程度的耦合情况选择恰当的模型。