多相流动理论模型和数值方法
3天了解CFD——湍流、多相流的方程推导和数值解法(上)
如果为大量固定质量的流体微元他就是有限控制体，少量流体微团（但足够表现流体宏观量）的就是流动微元（fluid
element），但是体积和面积会变化。之所以守恒和不守恒是因为空间位置固定的微元或者控制体可以应用质量守恒
方程来推导，空间位置随流因为质量固定不能应用与质量守恒因此成为非守恒形式。
1.2 动量方程
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多相流动理论模型和数值方法-多相流在线课件
收敛。
•在经过Gosman等[143]和Berlemont等[144]改进以 后，得到了广泛的应用。 •Sommerfeld[145]和Shuen[146]等采用此模型进行 数值求解，得到了比较满意的结果。 •浙江大学热能工程研究所的岑可法院士和樊建人 教授[147]提出的随机频谱颗粒轨道(FSRT)模型，
颗粒确定轨道模型
•处理颗粒群的方法较简单，能够考虑相间速度 与温度的滑移， •并可以追踪比较复杂的颗粒经历， •数值计算不会产生伪扩散。 •但其存在一个缺点，就是对颗粒的湍流扩散缺 乏较好的处理。
29 多相流体动力学
颗粒随机轨道模型。
•考虑到湍流脉动对颗粒轨迹造成的影响，
•Yuu等[142]首先提出了涡作用模型。
拟流体模型小结
• 无滑移模型：颗粒相的宏观运动而引起的质量迁 移是由流体运动引起的；
• 小滑移模型：混合物运动引起的 • 滑移-扩散模型：颗粒相自身的宏观运动引起了
质量迁移
11 多相流体动力学
拟流体模型数值方法
12 多相流体动力学
湍流流场数值模拟方法简介
传统模 式理论
大涡模拟
格子气
常用数值 模拟方法
FLT模型
SSG模型
14 多相流体动力学
湍流模式理论局限性
▪ 对经验数据的依赖性;
▪ 将脉动运动的全部细节一律抹平从 而丢失大量重要信息;
▪ 目前各种模型，都只能适用于解决 一种或者几种特定的湍流运动。
15 多相流体动力学
•湍流直接模拟(DNS)简介
计不算用机任发何展湍流模型，直接b出G数车现习值大L型I求ob并z解行(J完计0J2算整)级机 的三维非定常的N-S方程组;
多相流数值模型开发及应用
多相流数值模型开发及应用多相流数值模型是一种用于描述不同相态被混合或流动的流体系统的数学模型。
多相流体包括气体、液体和固体，这些相在不同流动条件下可以以不同的形式和方式相互作用和变化。
开发多相流数值模型的过程中，需要考虑多种现象，如相变、界面传热传质、物质交换和不可压缩流等。
这些现象在实际流动过程中起着重要的作用，对于流体流动行为的预测和优化具有重要意义。
多相流数值模型的开发可以基于不同的方法，如欧拉-拉格朗日方法、欧拉-欧拉方法和欧拉-辅助粒子方法。
这些方法在描述多相流动过程中有各自的优缺点，需要根据具体情况选择合适的方法。
除此之外，还需要考虑模型的可扩展性和计算效率，以便在实际工程应用中能够满足需求。
多相流数值模型的应用非常广泛，涉及到多个领域。
在核工程中，多相流数值模型可以用于模拟核反应堆中的冷却剂流动和传热过程，以及池型核反应堆中的泄压事故。
在石油工程中，多相流数值模型可以用于模拟油藏中的油水气三相流动，以设计和优化开采方案。
在化工工程中，多相流数值模型可以用于研究气液两相流动和传递过程，从而优化反应器的运行条件。
此外，多相流数值模型还可以应用于航空航天、食品加工、环境保护等领域。
比如，在航空航天领域，多相流数值模型可以用于模拟燃烧室中的燃烧和喷注过程，以及火箭推进系统中的气液两相流动和相变过程。
在食品加工领域，多相流数值模型可以用于模拟食品材料的流动和传热过程，以优化生产工艺和提高产品质量。
总之，多相流数值模型的开发和应用在工程领域具有重要价值。
通过对多相流动过程的数值模拟，可以帮助工程师和科研人员更好地理解和优化实际流体系统的行为，从而提高生产效率、降低能源消耗和减少环境污染。
未来，随着计算机性能的提升和数值方法的不断发展，多相流数值模型的研究和应用将得到进一步推广和深入。
多相流动的物理模型与数值模拟研究
多相流动的物理模型与数值模拟研究多相流动是指在同一空间内同时存在多种物质或相，这些物质之间会发生相互作用和传递，常见的涉及气体、液体和固体等颗粒相。
多相流动广泛应用于化工、环保、材料学等领域。
不同领域对于多相流动的研究重点不同，但有一些基本的物理模型和数值模拟方法可以共用。
气液两相流润滑机理在机械加工过程中，由于摩擦和冲击等作用，使润滑油被带入摩擦接触区，形成气液两相流，同时也发生很多细小的气泡，从而对润滑起到促进、稳定、减少磨损、冷却和清洗等重要作用。
当摩擦运动变化时，气液两相流的分布、密度、体积分数等属性也会随之发生变化，这就需要建立相应的数学模型追踪其变化。
目前普遍采用的方法为欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）方法，即在欧拉网格上求解连续相的运动，对离散相采取拉格朗日求解。
相互作用力模型主要采用物理学界知名的乔伊斯——格里芬模型（Joyce-Griffin model），该模型对液体相和气泡相的相互作用力有一个完整的描述。
液液两相流分离机制在一些化工、生物医学等领域，液液两相流也是常见的现象。
例如，胶体分离技术、乳化液体的生产、血液分离等等，这些都是液液两相流的具体应用。
其实液液两相流的数值模拟相比于气液两种流已经相对成熟，主要是采用欧拉-欧拉两相流模型，在该模型里面液体相之间的相互作用通常采用基于格子布朗运动的布朗动力学（Brownian Dynamics）方法的随机游走方法求解。
液-液界面的张力计算通常采用连续介质力学的方法（continuum mechanical method），或者是分子动力学模拟（molecular dynamic simulation），或者是耦合上述两种方法，应用tensor Green 的方法，进一步优化数值模拟精度，减小时空误差和数值离散化误差。
凝聚相多相流动的模型及数值模拟除了气液两相流和液液两相流外，凝聚态相的多相流动同样是非常重要的。
例如，混凝土加工过程会产生混凝土石料相和水泥胶浆相之间的多相流动；金属加工过程中，金属熔融会形成液相，但还会同时固化出固态晶体相。
多相流体力学的数值模拟及其应用
多相流体力学的数值模拟及其应用引言多相流体力学是研究多种不同物质在相互作用下流动行为的学科领域。
它在工程、环境、生物等多个领域都有重要的应用价值。
随着计算机技术的不断发展，数值模拟成为研究多相流体力学的重要手段之一。
本文将介绍多相流体力学数值模拟的基本原理和方法，并探讨其在工程和科学研究中的应用。
一、多相流体力学的基本概念1.1 多相流体的定义多相流体是指由两种或更多种不同物质组成的流体系统。
它们可以是气体和液体的组合，也可以是液体和固体的组合。
在多相流体中，不同相之间存在各种各样的相互作用，如表面张力、颗粒间作用力等。
1.2 多相流体的分类根据不同的分类标准，多相流体可以分为不同的类型。
按照相间分布的均匀性，可以将多相流体分为均质和非均质两类。
均质多相流体是指各相之间存在均匀分布的情况，如气泡在液体中的分布。
非均质多相流体是指各相之间存在不均匀分布的情况，如液滴在气体中的分布。
1.3 多相流体的力学性质多相流体的力学性质是研究多相流体力学的重要内容。
它包括各个相的速度分布、压力分布、浓度分布等。
多相流体的力学性质直接影响多相流体的流动行为，并对多相流体的应用产生重要影响。
二、多相流体力学的数值模拟方法2.1 多相流体力学方程多相流体力学方程是研究多相流体力学的基本方程。
它从守恒性原理出发，通过质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程来描述多相流体的运动行为。
2.2 多相流体的计算模型多相流体的计算模型是进行多相流体力学数值模拟的基础。
常见的多相流体计算模型包括欧拉法、拉格朗日法和亚欧拉法等。
2.3 多相流体力学的数值方法多相流体力学的数值方法是进行多相流体力学数值模拟的关键环节。
常见的多相流体力学数值方法包括有限体积法、有限元法、边界元法等。
2.4 多相流体力学的边界条件多相流体力学的边界条件在数值模拟中起着重要作用。
它们可以分为速度边界条件、压力边界条件和浓度边界条件等。
三、多相流体力学数值模拟的应用3.1 多相流体流动的数值模拟多相流体流动的数值模拟在工程和科学研究中有着广泛的应用。
单相和多相流体的模型选择欧拉方法拉格朗日方法和VOF方法等
单相和多相流体的模型选择欧拉方法拉格朗日方法和VOF方法等单相和多相流体的模型选择：欧拉方法、拉格朗日方法和VOF方法等在流体力学领域，为了模拟和预测流体的运动行为，研究人员开发了多种数值模型和方法。
对于单相和多相流体问题，欧拉方法、拉格朗日方法和VOF方法被广泛应用。
本文将介绍这三种方法的原理和适用场景。
一、欧拉方法欧拉方法是最常用的流体力学模型之一，它将流体视为连续介质，通过在空间和时间上离散流体的物理性质和运动方程来描述。
欧拉方程组包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
这些方程经过数值格式离散化后，可以通过迭代求解来得到流场的数值解。
欧拉方法的主要优点是计算效率高，尤其适用于模拟流体流动的整体行为。
然而，由于欧拉方法忽略了流体微观粒子的运动信息，对于液滴破裂、合并等多相流动问题的模拟效果较差。
此外，在存在严重的界面变形和涡旋等现象时，欧拉方法也会遇到一些困难。
二、拉格朗日方法拉格朗日方法是基于流体微观粒子的运动状态来描述流动行为的方法。
拉格朗日方法追踪流体微观粒子的运动轨迹，并通过插值等技术来获得流场的数值近似解。
相对于欧拉方法，拉格朗日方法更适用于模拟流体中存在颗粒、气泡等多相物质的运动行为。
例如，在石油工程中模拟油气井中的颗粒悬浮、混合和输送过程时，拉格朗日方法常常被应用。
然而，拉格朗日方法的计算复杂度较高，尤其在涉及大量流体微观粒子时，计算资源消耗巨大。
此外，在界面形态变化较大的情况下，拉格朗日方法的数值不稳定性也是一个问题。
三、VOF方法VOF（Volume of Fluid）方法是一种将流体运动和界面跟踪相结合的方法，广泛应用于多相流与界面问题的模拟。
VOF方法利用函数场变量记录流体相的存在情况，通过对其进行插值和计算，得到流体相的分布和界面形态。
相对于拉格朗日方法，VOF方法在模拟界面形态变化和相互作用方面效果更好，且不需要追踪每个微观粒子。
因此，VOF方法在模拟液滴破裂、界面变形和泡沫形成等问题时具有优势。
石油与天然气工程专业中多相流模型与计算法适合性验证与应用
石油与天然气工程专业中多相流模型与计算法适合性验证与应用多相流是石油与天然气工程中一个重要的研究领域，涉及到在复杂的地质条件下油气混合物在管道中的流动行为。
为了准确预测和模拟这种复杂的多相流动，多相流模型与计算法的适合性验证与应用成为了研究中的重点。
多相流模型是描述油气混合物在流动中的相互作用的数学模型。
常见的多相流模型包括两相流模型、三相流模型以及更高阶的模型。
这些模型依据流体力学、热力学和质量守恒原则，结合流体相互作用的各种现象，如相变、传质、传热等，来描述不同相态下的流体行为。
验证这些多相流模型的适合性是确保模拟结果的准确性和可靠性的关键。
为验证多相流模型的适合性，常用的方法是通过实验数据进行对比和分析。
实验数据可以包括在实际油田或天然气装置中收集到的数据，也可以是在实验室中模拟得到的数据。
通过与实验数据的比较，可以评估模型对于不同相态下的流体行为的描述能力。
同时，还可以通过对比不同模型的模拟结果，选取最适合实际应用的模型。
除了验证多相流模型的适合性之外，选择合适的计算法也是模拟多相流动的关键。
计算法主要涉及两个方面，即离散化方法和数值解方法。
离散化方法是将连续体问题离散化为有限个离散的节点来求解，常见的方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。
数值解方法则是求解离散化问题的数值解的方法，常见的方法包括显式方法、隐式方法和迭代法等。
为了验证计算法的适合性，常用的方法是通过对比计算结果与实验数据进行验证。
计算结果可以通过模拟多相流动的数学模型得到，再与实验数据进行对比。
通过对比分析，可以评估计算法在不同条件下的准确性和可靠性。
此外，还可以通过对比不同计算法的模拟结果，选择最适合实际应用的计算方法。
多相流模型与计算法的适合性验证与应用在石油与天然气工程中具有重要的意义。
首先，准确预测多相流动的行为有助于优化石油和天然气开采过程。
通过模拟研究，可以确定最佳的开采方案和操作条件，提高油气采收率，降低开采成本。
流体力学中的多相流模型与仿真
流体力学中的多相流模型与仿真在流体力学领域中，多相流模型和仿真技术在研究和应用中发挥着重要的作用。
多相流模型是描述多个不同物理相互作用的数学模型，而仿真技术则是利用计算机来模拟和预测多相流体的行为。
本文将探讨多相流模型和仿真技术在流体力学中的应用和发展。
一、多相流模型多相流模型是流体力学中研究多相流体行为的重要工具。
多相流是指在同一空间中存在着两种或多种物质相的流动状态。
常见的多相流包括气固流动、气液流动和固液流动等。
1. 气固流动模型气固流动模型是研究气体和颗粒物质相互作用的模型。
这种流动模型在煤矿爆炸、粉尘扬尘、颗粒输送等领域有着广泛的应用。
常用的气固流动模型有Euler-Euler模型和Euler-Lagrange模型。
2. 气液流动模型气液流动模型是研究气体和液体相互作用的模型。
气液两相流动在石油、化工、环保等行业中具有重要的应用价值。
常用的气液流动模型有两流体模型、体积力平衡模型和界面平衡模型等。
3. 固液流动模型固液流动模型是研究固体颗粒和液体相互作用的模型。
这种流动模型在颗粒床反应器、混凝土输送等领域有着广泛的应用。
常用的固液流动模型有物理模型、经验模型和计算流体动力学模型等。
二、多相流仿真技术多相流仿真技术是利用计算机来模拟和预测多相流体行为的方法。
仿真技术可以通过数值计算的方式，将多相流动的数学模型转化为离散的数值计算模型，并通过迭代求解来获得流体的相关参数。
1. 传统的数值模拟方法传统的数值模拟方法基于有限差分法、有限元法等数值计算方法，通过网格划分和离散化，将流体力学方程数值化求解。
这种方法在处理简单的流动问题时有效，但对于复杂的多相流问题，计算效率较低。
2. 基于粒子的仿真方法基于粒子的仿真方法是通过跟踪流体颗粒的运动轨迹，模拟多相流体的流动行为。
这种方法可以精确地模拟颗粒与流体之间的相互作用，并考虑颗粒的密度、粒径等特性。
常用的基于粒子的仿真方法有离散元法和分子动力学方法等。
多相流动的基本理论
颗粒随机轨道模型。
•考虑到湍流脉动对颗粒轨迹造成的影响，
•Yuu等[142]首先提出了涡作用模型。 •在经过Gosman等[143]和Berlemont等[144]改进以 后，得到了广泛的应用。 •Sommerfeld[145]和Shuen[146]等采用此模型进行 数值求解，得到了比较满意的结果。 •浙江大学热能工程研究所的岑可法院士和樊建人 教授[147]提出的随机频谱颗粒轨道（FSRT）模型，
•前提：
•在流体中弥散的颗粒相也是一种连续的流体； •气相和颗粒相是两种相互渗透的连续相，各 自满足连续性方程、动量方程和能量守恒方 程。
多相流体动力学
无滑移模型（No-slip Model)
•基本假设：
• 颗粒群看作连续介质，颗粒群只有尺寸差别，不 同尺寸代表不同相；
• 颗粒与流体相间无相对速度； • 各颗粒相的湍流扩散系数取流体相扩散系数相等； • 相间相互作用等同于流体混合物间各成分相互作
多相流体动力学
主要内容（气固多相流）
长期以来，气固两相流动的研究中按照对颗粒的处理方 式不同，主要有两大类模型
离散介质模型 连续介质模型
单颗粒动力学模型（SPD模型）
颗粒轨道模型（PT模型）
确定轨道模型 随机轨道模型
小滑移模型（SS模型）
无滑移模型（NS模型）
拟流体（多流体）模型（MF模型）
多相流体动力学
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多相流动的基础知识和数值模拟方法
多相流动的基础知识和数值模拟方法多相流动是指在同一空间中存在两种及以上物质的流动现象。
在工程领域中，多相流动具有广泛应用，如化工反应器中的气液流动、石油勘探中的油水混合流动等。
本文将介绍多相流动的基础知识，并探讨一些常用的数值模拟方法。
一、多相流动的分类多相流动可以根据不同的分类标准进行分类，常见的分类方法包括：1.根据组分：固液流动、气液流动、固气流动等；2.根据速度：稳定流动、不稳定流动、湍流等；3.根据形态：离散相、连续相、两相界面等。
二、多相流动的基础知识1.多相流动的基本方程多相流动的基本方程包括连续性方程、动量方程和能量方程。
在连续性方程中，考虑到多相流动中各相的质量守恒关系；在动量方程中，引入各相之间的相互作用力和速度差等因素；在能量方程中，考虑到各相之间的相变、传热等现象。
2.多相流动的相互作用多相流动中的不同相之间存在相互作用力，如液固两相之间的颗粒间碰撞力、气液两相之间的表面张力等。
这些相互作用力对多相流动的行为和特性具有重要影响。
3.多相流动的模型为了更好地描述多相流动的行为，研究者们提出了多种多相流动模型，如两流体模型、Eulerian-Eulerian模型和Eulerian-Lagrangian模型等。
不同的模型适用于不同的多相流动情况，选择合适的模型对于准确描述多相流动至关重要。
三、多相流动的数值模拟方法数值模拟是研究多相流动的重要手段之一，常用的数值模拟方法包括：1.有限体积法有限体积法是常用的求解多相流动的数值方法之一，它将流动域划分为网格单元，通过离散化各个方程，利用差分格式求解模拟区域内的物理量。
2.多尺度方法多尺度方法考虑到多相流动中存在不同尺度的现象和作用力，通过将流动域划分为不同的区域进行求解，以更好地描述多相流动的行为。
常见的多尺度方法有多尺度网格方法和多尺度时间方法。
3.相场方法相场方法是一种常用的描述多相流动界面的方法，它通过引入相场函数来表示相界面，并利用Cahn-Hilliard方程等对相场函数进行求解，从而获得界面位置和形状等信息。
多相流动动力学的数值模拟与分析
多相流动动力学的数值模拟与分析多相流动是指在流体中同时存在两种或两种以上的物质，这些物质可以是气体、液体或固体。
由于多相流动的复杂性，数值模拟成为研究多相流动的有效手段之一。
数值模拟可以通过计算机模拟多相流动的各种特性，如相互作用、相变、物理效应等，以更深入地理解多相流动动力学行为。
本文将介绍多相流动动力学的数值模拟与分析方法和应用，包括模型、算法以及重要应用领域。
多相流动动力学模型在数值模拟中，多相流动动力学模型是处理多相流动问题的基础。
多相流动模型可以大致分为两类：欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型。
欧拉-欧拉模型使用两个或多个连续性方程对每个相的物质守恒和动量守恒进行建模。
这些方程用于描述不同相之间的相互作用，包括不同相之间的质量和能量传递。
欧拉-欧拉模型被广泛应用于处理多孔介质中的多相流，如油藏、地下水系统等。
欧拉-拉格朗日模型则使用一个欧拉方程对流体整体进行建模，用于描述流体的运动和相互作用。
该模型建立在欧拉方程的基础上，使用另一种拉格朗日方程来描述固体颗粒运动。
欧拉-拉格朗日模型通常用于研究一个或多个固体颗粒在流体中的运动，例如颗粒悬浮在液体中的情况。
多相流动动力学算法在多相流动动力学数值模拟中，有多种算法可供选择。
以下是几种常用的多相流动动力学算法：Lattice-Boltzmann方法：Lattice-Boltzmann方法是Lattice-Gas方法的一种改进。
该算法将连续性方程转化为离散空间和时间的微分方程，从而简化了计算过程。
Lattice-Boltzmann方法已经被广泛应用于湍流数值模拟、多孔流动和多相流动等领域。
有限元法：有限元法通过将流场划分为多个小区域来离散化流 field。
这种方法对任意复杂的几何形状和流动条件都有一个准确的数值解，已被广泛用于数值模拟和工程设计中。
元胞自动机方法：元胞自动机方法是一种离散事件方法，通过定义哪些工作单元(mesh cell)可以容纳颗粒，颗粒在各个时间步长内向相邻工作单元的移动，来模拟多相流动的行为。
多相流体数值模拟及应用研究
多相流体数值模拟及应用研究随着科技的不断进步，工程领域中涉及到的流体力学问题越来越复杂，例如，一些液体和气体混合的现象，会出现多相流体，导致传统的单相流动的理论无法满足实际需要。
因此，多相流体数值模拟成为解决这一问题的有效途径。
本篇文章将介绍多相流体数值模拟及其应用研究，其中包括模拟方法、模型及其在工程中的实际应用等方面。
一、多相流体数值模拟的基本原理多相流体是指相互作用的不同物质间形成的复杂流态体系，多相流体数值模拟是一种研究这种复杂流体动力学特性的研究方法。
基本原则是将复杂的多相系统看作一系列在空间和时间上组合而成的相互作用粒子，通过计算机模拟这些悬浮在主流内的物质运动及相互作用，以预测和研究多相流动系统中的一系列相应物理现象。
多相流体数值模拟的基本步骤包括模型选择、碎片单元建模、流体力学方程及物理模型的设定、网格划分及离散化、求解和后处理等步骤。
模拟精度的提升则需要从多个方面进行优化。
这包括：程序的高效性、模型的有效性、精度及稳定性等。
其中，数值方法是数值模拟的核心，旨在解决方程组的离散求解过程。
二、多相流体数值模拟中的模型及其应用1. Euler-Lagrange方法Euler-Lagrange方法是最常用的粒子装置模型之一，本质上是一种粒子追踪方法，其中，流体相的宏观行为由Navier-Stokes方程组来描述，而悬浮粒子的轨迹则独立计算。
其优点是模型精度高，但是计算速度较慢，因此只适用于小规模的模拟。
2. Euler-Euler方法Euler-Euler方法是一种多相流动模型，通过使用一套Navier-Stokes方程来描述流体相和颗粒相的彼此交互。
这对于颗粒真实的排列及运动具有高度的准确性。
但是，这种方法只适用于均质系统，而对于粗糙介质的流动研究效果并不理想。
3. Lattice-Boltzmann方法Lattice-Boltzmann方法是一种用于模拟速度分布函数的方法，与传统的方法不一样，它快速计算大量计算单元的流动，但计算结果的精度相对较低。
纳米级多相流动数值模拟研究
纳米级多相流动数值模拟研究一、前言多相流动是指在一个体积内同时存在两种或两种以上的流体，其中至少有一种流体存在于不连续的分散相状态。
多相流动涉及到许多的物理和化学过程，例如泡沫、气泡、液滴、固体颗粒等，这些现象都存在于许多工业和工程领域，例如化工、能源、环保、食品等。
因此，多相流动的研究一直是一个热门的话题，而纳米级的多相流动研究更是近年来的研究热点。
二、多相流动的数值模拟方法多相流动的数值模拟旨在描述和预测多相体系中的流动行为及其相关流体力学量，例如速度、压力、流量等。
数值模拟方法主要分为两大类：欧拉方法和拉格朗日方法。
欧拉方法假定分散相为无限小粒子，而连续相为连续介质，因此分散相的位置和速度随时间而变化。
而拉格朗日方法则是描述分散相的运动情况，不考虑连续相特征。
纳米级多相流动的数值模拟相较于传统多相流动的数值模拟更为复杂和困难，因为纳米级的分散相可能与连续相相互作用，并受到湍流的影响。
因此，涉及到多尺度、多物理过程和多相互作用的数值模拟方法，例如分子动力学、格子气体动力学和混合有限元等方法，逐渐成为研究纳米级多相流动的主流方法。
三、纳米级的多相流动研究应用纳米级多相流动的研究在许多领域中都有重要应用。
例如，在制药业中，纳米级的胶体化合物混合均匀性对于生产高质量新药是必要的，因此对于分散相的数量和分布进行了详细研究。
在能源领域中，纳米级的燃料油和润滑油流动性能对于机械设备的性能具有重要作用。
在纳米流体力学中，纳米级材料的流动性能研究旨在开发新的纳米流体等领域。
四、纳米级多相流动的挑战及未来发展方向纳米级多相流动的研究具有极大的挑战性。
目前，我们对于纳米尺度上分散相与连续相交互的理解仍然不够深入，因此需要开发新的理论模型和数值方法。
同时，新技术的发展，例如高性能计算和多尺度模拟，为纳米级多相流动的研究提供了新的途径。
未来，纳米级多相流动的研究将面临更多的挑战和机遇。
例如，新的纳米材料的开发和应用，以及新的多相流动现象的探测和研究等。
多相流动的数值模拟
多相流动的数值模拟引言在石油、化工、冶金等领域，多相流动是一类十分重要的现象。
它对于流体力学、化学反应等方面的研究都有着重要的意义。
在实验室内研究多相流动往往受到条件的限制，因此人们常常借助数值模拟的方法来探究多相流动的规律。
随着高性能计算技术的进步，多相流动的数值模拟得到了显著的发展。
概述多相流动是指两种以上物质同时存在于同一空间内、流动行为相互影响的现象。
其中流体中两相之间相对运动存在的现象称为相互作用。
两相之间的相互作用表现为牛顿第三定律：相互作用力相等，方向相反。
多相流动的计算方法目前主要有多介质方法、连续介质方法等。
多介质方法：将流体划分为两个或以上相分离的单相流，依据一个对象在单相流中的位置，判定该对象处于哪个相中，并且根据两相之间物质交换规律，计算两个相之间的相互作用和传质传热情况。
多介质方法的优点是可以明确地区分出多种物质，但是在相界面上，流体速度及物理量的梯度会达到无穷大，时间步长受到的限制较大。
连续介质方法：将两个相或多个相混合在一起作为一个流体进行数值模拟。
连续介质方法将相互作用作为成分间的扩散流。
连续介质方法的优点是计算机容易处理，且时间步长相对较大。
缺点是得到的结果是平均化的量，难以表达相之间的详细信息。
多相流动的数值模拟方法主要有欧拉法、拉格朗日法和欧拉－拉格朗日方法。
欧拉法：与连续介质方法相似，欧拉法以物质点的质量为基础来进行计算。
以两相为例，沿任何一条雷诺迹线，可以得到该点处气相和液相的不同体积分数。
欧拉法的优点是可以精确的描述流体的宏观特征，计算快速简单，缺点是欧拉法忽略了颗粒之间的相互作用。
拉格朗日法：是以颗粒为基础，采用颗粒运动方程和颗粒轨迹计算颗粒的定位和速度。
拉格朗日法的优点是可以精确的描述颗粒间的相互作用，计算精度高。
缺点是需要像物理颗粒模型这样的复杂的计算，计算量很大。
欧拉-Lagrange方法：欧拉-Lagrange方法采用欧拉法描述流体的运动，采用Lagrange法描述颗粒间的相互作用。
多相流热动力学基础(数值模拟)
两相流动力学的数理模型一、均相流动模型均相流动模型就是把气液两相混合物看作一种均匀介质，这种介质具有均一的流动参数，其物理特性参数取两相介质相应参数的平均值。
因此可按单相介质处理均相流模型的流体力学问题。
由于这种模型回避了相之间的相互作用，对非均匀混合的情况误差较大。
使用均相流模型对于泡状流（尤其是沫状流和雾状流）具有较高的精确性；对于弹状流和块状流需要进行时间平均修正；对于分层流、波状流和环状流，则误差较大。
均流模型的基本假设是：①气液两相流的实际流动速度相等；②两相介质间处于热力学平衡状态，压力、密度等互为单值函数；③在计算摩擦阻力和压力损失时使用单相介质阻力系数。
由上述假设可知：u u u l g ＝＝，滑动比1g l s u u =＝，真实含气率与体积含气率相等αβ=，真实密度与流动密度相等()ρρ'=。
对于稳定的一维均相流动，其基本方程有 １、连续性方程根据质量守恒原理，可得Ｍ＝＝常数uA ρ （1） ２、动量方程在一维流场中任取一长为dz 的微小流段，其直径为Ｄ，过流断面面积为Ａ，如图一所示，现沿流动方向建立动量方程。
图一 均相流动模型作用在微小流段上的质量力只有重力，其沿ｚ方向的分力为θρ-sin gAdz ； 作用在微小流段上的表面力有压力A )dp p (pA +-和切向力dF -。
由动量定律，可得如下动量方程：Mdu sin gAdz dF Adp ＝θρ--- (2) 或写成AdzMdu sin g AdzdF dz dp +θρ+-＝(3)３、能量方程利用工程流体力学中的热焓形式能量方程di )2u(d )sin gz (d dwdw dq 2f ++θ++＝ (4)根据热力学第一定律dp pd de )p (d de di υ+υ+υ+＝＝υ+=pd de dq 故 di ＝dp dq υ+ 由此可得dw )2u(d dz sin g dwdp 2f ++θ+υ-＝ (5)式中：dq ──单位质量流体吸收的热量，包括由外界直接吸收的热量和由机械能散失转变 成的热量；dw ──单位质量流体对外所作的功；f dw ──单位质量流体由于摩擦而散失的机械能； di ──单位质量流体焓的增量； de ──单位质量流体内能的增量； υ──两相混合物的比容，υ＝ρ1。
多相流动的基本理论
大涡 模拟 思想
为 什 么 要大 涡 模 拟？
对大尺度涡进行直接模拟 小尺度涡对大涡的影响用模型进行模拟
拟流体模型现状
为了能更完整地考虑颗粒相各种湍流输运特性以及相间的滑移和耦合， Spalding等[1]首先提出了双流体模型。
周力行教授对双流体模型进行了深入的研究。他们针对各向同性流动，提出了 颗粒湍动能输运方程的模型[2]。针对各向异性流动，则将单相湍流流动的RSM模 型推广至气固两相流中，提出了统一二阶矩模型（USM）[3]。
依靠理论与经验的接合，引进一 Reynol系ds应列力模模型（型RS假M）设，从而建立一组描
写湍流平均量的方程组。
代数应力模型（ASM）
FLT模型 SSG模型
湍流模式理论局限性
▪ 对经验数据的依赖性; ▪ 将脉动运动的全部细节一律抹平从
而丢失大量重要信息; ▪ 目前各种模型，都只能适用于解决
一种或者几种特定的湍流运动。
有
按各种模型提出的时间大致顺序
无滑移模型 小滑移连续介质模型 滑移-扩散的颗粒群模型
双流体模型
分散颗粒群模型
颗粒轨道模型
拟流体模型（连续-连续介 质模型）
前提：
在流体中弥散的颗粒相也是一种连续的流体； 气相和颗粒相是两种相互渗透的连续相，各自满足连续性方程、动量 方程和能量守恒方程。
无滑移模型（No-slip Model)
• 小滑移模型：混合物运动引起的 • 滑移-扩散模型：颗粒相自身的宏观运动引
起了质量迁移
拟流体模型数值方法
湍流流场数值模拟方法简介
传统模 式理论
大涡模拟
格子气
常用数值 模拟方法
直接 模拟
离散涡方法
湍流模式理论简介
多相流体的数值模拟及计算方法
多相流体的数值模拟及计算方法随着科技的不断发展，数值模拟成为了多领域科学研究的重要手段。
在工程领域中，多相流体的数值模拟显得尤为重要，因为多相流体系统中的相互作用十分复杂，实验条件受到限制，因此数值模拟成为了研究这些系统的主要手段之一。
一、多相流体的数值模拟多相流体包括两个或两个以上物理相或化学相的混合物，比如液体、气体、固体等。
在多相流流场中，不同相之间互相作用，流体间相互作用形成了复杂的流动现象，如空气中的雾、汽车燃烧室中的燃气和固体颗粒等。
如何对这些现象进行准确模拟，是工程领域中多相流体研究的一大挑战。
数值模拟在多相流体研究中的作用不言而喻。
数值模拟能够模拟多相流体流动的各种现象，如液滴、气泡、颗粒等运动轨迹、质量传递过程、界面着生和破裂过程等。
数值模拟方法主要有拉格朗日方法和欧拉方法两种。
拉格朗日方法主要适用于离散相数目较少、相互之间相对独立的情况。
该方法通过在每个离散相质点上解运动方程来描述相的运动，然后通过在每个极小团上解质量、动量和能量守恒方程来描述其与流体场的相互作用。
而欧拉方法适用于离散相数目较多或相互依赖较多的情况。
该方法将全多相流看做是一种非连续的流体，将其称为“均相流”。
根据物理实验数据的观察和分析，多相流体的数值模拟可以分为不同的模型，如气-液两相模型、沸腾模型、涡流破碎模型、松弛模型等，而不同的模型又需要不同的求解算法。
二、多相流体数值模拟的计算方法在多相流体模拟中，需要解决连续相和离散相之间的相互作用，因此需要涉及到两套计算方法。
前者是连续相计算，主要基于欧拉方法；后者则是离散相计算，主要基于拉格朗日方法。
两种方法的计算过程都十分复杂，需要对流场的参数进行求解。
多相流的数值模拟使用的计算方法有：有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）。
FVM是应用广泛的计算数值方法，它将集成区域划分为有限数量的小单元，然后使用控制方程组来求解每个单元的值。
FEM则是将连续体分成小单元，通过建立节点来对其进行离散化。
多相流的数值模拟综述
颗粒轨道模型 假设： 颗粒相是离散体系，与连续流体相之间有速度差； 弥散颗粒相无自身的湍流扩散，湍流粘性和湍流导热； 颗粒群按初始尺寸分布分组，每组颗粒在任何时刻都有相同
的的尺寸、速度；
每组颗粒从某一初始位置开始沿着各自独立的轨道运动，互 不干扰，互不碰撞； 颗粒相作用于流体的质量，动量及能量源都以一个等价的量 均匀分布于流体相所在的单元内。
5
多相流数值模拟中的常用特殊参数 容积气流率 气相体积流量和两相体积流量之比为体积含气率，又称容 QG / Q QG / QG QL 积气流率，用 表示： 相函数 相函数表示两相流气体(液体)相的体积(在二维空间中，对 应的参数是面积)在局部单个网格区域中所占据的份额。 Level Set函数 Level Set函数是一个高阶空间分布函数，它的零等值面可 被用来指示相界面的位置和形状。 加权参数 为了计算方便和便于进行试验数据拟合，常对多相流的真 实参数进行权重因子的加权。 运动参数 静止参数
多相流的数值模拟
机械设计及理论（3）班 叶圣军 136091321
1
• 本章主要内容
多相流数值模拟的特点
多相流数值模拟中常用的特殊参数 多相流数值模拟方法的分类 连续介质力学模型 其他多相流数值模拟方法 多相流数值模拟中的困难及发展方向
2
• 多相流数值模拟的特点
数值模拟也叫计算机模拟，它以计算机为手段，通过数
mp
dv pi dt p
Fdi Fvmi Fpi FBi FMi Fsi
附加质量力 压力剃度力
颗粒运动的阻力
Basset力
Saffman力 Magnus力
简化后的单颗粒运动方程：
流体力学中的多相流模拟及应用
流体力学中的多相流模拟及应用流体力学是研究流体运动规律和作用的一个重要分支学科。
多相流模拟是流体力学中的一个重要研究内容，也是近年来越来越受到关注的热门领域之一。
回顾历史，20世纪50年代初，美国科学家艾萨克•普鲁克（Isaac Prigogine）首次提出了多相流的概念，随后国内外学者在此基础上进行了大量的研究工作。
本文将简要介绍多相流的概念、研究方法及其应用场景。
一、多相流的概念多相流是指在同一空间内同时存在多种流体或气体，它们之间相互作用产生各种相变（如凝固、气化、沉降以及相互转化等）现象的流动状态。
多相流包括两相、三相、四相以及更多的相。
其中最常见的是两相流，指的是同时存在两种不同的流体，如气液、液液、气固等。
例如汽车轮胎在行驶时，胎面与路面之间会产生两相流，其中气体是一相，胎面与路面接触的水和空气是另一相，两者相互作用形成一个流体体系。
二、多相流研究方法多相流的研究方法主要可以分为两类：实验研究和数值模拟。
实验研究是通过实际实验器材对实际流动进行观察和分析，从而揭示实际过程的规律性和特性。
数值模拟则是通过建立数学模型、采用计算机仿真技术，对多相流动进行模拟，以此研究多相流动的规律和特性。
基于数值模拟的多相流动研究方法又可分为欧拉方法和拉格朗日方法两大类。
欧拉方法是以流场为研究对象，分析不同位置流体属性的变化规律，把多相流动转化为流场数值模拟问题来研究。
而拉格朗日方法是以流体微观粒子为研究对象，通过对微观粒子的运动轨迹进行分析，揭示多相流动中各种相之间的相互作用。
实际上，两种研究方法并不是完全独立的，而是相互补充、相互依赖的。
三、多相流的应用场景多相流的研究在工程领域中有着广泛的应用。
下面我们列举出多种多相流模拟的应用场景。
1.多相流在化学工程中的应用化学反应过程涉及到多相流动，多相流动不均匀性会严重影响化工反应的效果。
比如，列管反应器中的快速催化反应的过程，常常涉及多种流体、气体与液体组分的同时存在，气液两相流相互作用的现象效应和反应时间都会对反应结果产生很大的影响。
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2 1 p p
•颗粒间碰撞时间：
p l p / up
u
p
1
多相流体动力学
r1 / f 1
无滑移流（平衡流）
r1 / f 1
r / T 1
强滑移流（冻结流）
扩散——冻结流
r / T 1
扩散——平衡流
直接模拟计算量太大，很难计算工程实际高雷诺数湍流流场。
大涡 模拟 思想
对大尺度涡进行直接模拟
为 什 么 要大 涡 模 拟？
小尺度涡对大涡的影响用模型进行模拟
多相流体动力学
拟流体模型现状
•为了能更完整地考虑颗粒相各种湍流输运特性以 及相间的滑移和耦合，Spalding等[1]首先提出了双 流体模型。
多相流体动力学
•湍流直接模拟（DNS）简介
出现大型并行计算机 计算机发展 Petaflops （1015）级 不用任何湍流模型，直接数值求解完整
的三维非定常的N-S方程组;
有限差分 小波变换 数值算法发展 计算包括脉动运动在内的湍流所有瞬时 谱方法 ; 自适应网格 流动量在三维流场中的时间演变
有限元
稀疏悬浮流 稠密悬浮流
r1 / p 1
r1 / p 1
多相流体动力学
主要内容（气固多相流）
长期以来，气固两相流动的研究中按照对颗粒的处理方 式不同，主要有两大类模型
离散介质模型
单颗粒动力学模型（SPD模型） 颗粒轨道模型（PT模型） 确定轨道模型 随机轨道模型
小滑移模型（SS模型）
多相流体动力学
拟流体模型数值方法
多相流体动力学
湍流流场数值模拟方法简介
传统模 式理论 常用数值 模拟方法
格子气 直接 模拟
多相流体动力学
大涡模拟
离散涡方法
湍流模式理论简介
模型 k 模型 双方程模型 多尺度 湍流模式理论以Reynolds 时均运 RNG k 模型 动方程和脉动运动方程为基础，
非线性 k
依靠理论与经验的接合，引进一 Reynolds 应力模型（RSM） 系列模型假设，从而建立一组描 写湍流平均量的方程组。
代数应力模型（ASM） FLT模型
SSG模型
多相流体动力学
湍流模式理论局限性
对经验数据的依赖性; 将脉动运动的全部细节一律抹平从 而丢失大量重要信息;
目前各种模型，都只能适用于解决 一种或者几种特定的湍流运动。
连续介质模型 无滑移模型（NS模型） 拟流体（多流体）模型（MF模型）
多相流体动力学
本章要义
各种颗粒模型的一些基本观点
颗粒相模型 基本观点 颗粒对流 体的影响 不考虑 有 相间滑移 坐标系 颗粒相输运性 质 无，扩散冻结
单颗粒动力学 离散体系 模型 颗粒轨道模型 离散体系
拉格朗日
考虑
有
拉格朗日
无（确定轨 道）；有（随 机轨道模型） 有 （扩散=滑移） 有 （扩散平衡） 有
并行计算技术
方程本身是精确的，不含任何认为假设 和经验常数，仅有的误差只是由数值方 直接模拟 （DNS) 法引入的误差 。 技术的应用
多相流体动力学
湍流流场涡结构图
小尺度涡
大尺度涡
湍流旋涡结构包括大尺度涡和小尺度涡
多相流体动力学
湍 流 大 涡 模 拟 简 介
大尺度涡 流 场 小尺度涡 决定湍流流场的基本形态和性质； 流场质量、能量的主要携带者； 高度各向异性,无法建立统一模型。 由大涡非线性作用产生； 流场能量的主要耗散者； 近似各向同性,可以考虑建立统一模型。
多相流体动力学
小滑移连续介质模型 （Soo-drew Slip Model)
•基本假设：
• 颗粒群看作连续介质，不同尺寸组代表不同相； • 各组尺寸颗粒群速度不等于当地的流体相速度， 各颗粒相之间的速度亦不相等，即各颗粒相间、 与流体相间有相对速度； • 相间的相互作用类似于流体混合物中各种组分 之间的相互作用，颗粒相和流体相间的阻力忽 略不计； • 颗粒的运动是由流体的运动而引起的，颗粒相 的滑移是由于颗粒相对于多相流整体的湍流扩 散所致，故这种小滑移也称为湍流飘移; • 多相混合物整体与各相之间的关系，仍类似于 多组分流体混合物和各流体组间的关系. 多相流体动力学
小滑移模型
连续介质
不考虑
有 （滑移=扩散）
欧拉
无滑移模型
连续介质
部分考虑
无（动力学平衡， 欧拉 热力学平衡或冻 结） 有 欧拉
拟流体（多流 连续介质 体）模型
全部考虑
多相流体动力学
按各种模型提出的时间大致顺序
•无滑移模型 •小滑移连续介质模型 •滑移-扩散的颗粒群模型
•双流体模型
•分散颗粒群模型 •颗粒轨道模型
第二章 多相流动基础理论
2.1.4 多相流动理论模型和数值方法
多相流体动力学
特征时间
•流动时间（停留时间）： f L / •扩散驰豫时间：
2 r dp p / 18
•平均运动驰豫时间：
r1 r (1 Re / 6)
2/3 p
1
•流体脉动时间：
T l / u k /
•周力行教授对双流体模型进行了深入的研究。他 们针对各向同性流动，提出了颗粒湍动能输运方程 的模型[2]。针对各向异性流动，则将单相湍流流动 的RSM模型推广至气固两相流中，提出了统一二阶 矩模型（USM）[3]。
滑移-扩散的颗粒群模型
(Slip-diffusion Model)
•基本假设：
• 各相时均速度差异造成滑移的主要部分，由于各 相的初始动量不同引起； • 扩散漂移造成滑移的小部分； • 空间各点各尺寸组的速度、尺寸、温度等物理参 数均不相同。
多相流体动力学
拟流体模型小结
• 无滑移模型：颗粒相的宏观运动而引起的质量迁 移是由流体运动引起的； • 小滑移模型：混合物运动引起的 • 滑移-扩散模型：颗粒相自身的宏观运动引起了 质量迁移
多相流体动力学
拟流体模型（连续-连续介质模型）
•前提：
•在流体中弥散的颗粒相也是一种连续的流体；
•气相和颗粒相是两种相互渗透的连续相，各 自满足连续性方程、动量方程和能量守恒方 程。
多相流体动力学
无滑移模型（No-slip Model)
•基本假设：
• 颗粒群看作连续介质，颗粒群只有尺寸差别，不 同尺寸代表不同相； • 颗粒与流体相间无相对速度； • 各颗粒相的湍流扩散系数取流体相扩散系数相等； • 相间相互作用等同于流体混合物间各成分相互作 用，相间阻力不计。