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流体力学多相流自学

作业

多相流及其应用

1.两相与多相流的定义与分类

在物理学中物质有固、液、气和等离子四态或四相。单相物质的流动称为

单相流，两种混合均匀的气体或液体的流动也属于单相流。同时存在两种及两种以上相态的物质混合体的流动就是两相或多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等来区分，即不同的化

学组成、不同尺寸和不同形状的物质都可能归属不同的相。在两相流研究中，

把物质分为连续介质和离散介质。气体和液体属于连续介质，也称连续相或流

体相。固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质，也称分散相或颗粒相。流体相和颗粒相组成的流动叫做两相流动。

自然界和工业过程中常见的两相及多相流主要有如下几种，其中以两相流

最为普遍。

(1)气液两相流

气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。它又可以分单组分工

质如水—水蒸气的汽液两相流和双组分工质如空气—水气液两相流两类，前者汽、液两相都具有相同的化学成分，后者则是两相各具有不同的化学成分。单

组分的汽液两相流在流动时根据压力和温度的变化会发生相变。双组分气液两相流则一般在流动中不会发生相变。

自然界中如下雨时的风雨交加，湖面和海面上带雾的上升气流、山区大气

中的云遮雾罩。生活中沸腾的水壶中的循环，啤酒及汽水等夹带着气泡从瓶中

注人杯子的流动等都属于气液两相流。现代工业设备中广泛应用着气液两相流

与传热的原理和技术，如锅炉、核反应堆蒸汽发生器等汽化装置，石油、天然

气的管道输送，大量传热传质与化学反应工程设备中的各种蒸发器、冷凝器、

反应器、蒸馏塔、汽提塔，各式气液混合器、气液分离器和热交换器等，都广

泛存在气液两相流与传热现象。

(2)气固两相流

气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。

空气中夹带灰粒与尘土、沙漠风沙、飞雪、冰雹，在动力、能源、冶金、

建材、粮食加工和化工工业中广泛应用的气力输送、气流千燥、煤粉燃烧、石

油的催化裂化、矿物的流态化焙烧、气力浮选、流态化等过程或技术，都是气

固两相流的具体实例。

严格地说，固体颗粒没有流动性，不能作流体处理。但当流体中存在大量

固体小粒子流时，如果流体的流动速度足够大，这些固体粒子的特性与普通流

体相类似，即可以认为这些固体颗粒为拟流体，在适当的条件下当作流体流动来处理。在流体力学中，尽管流体分子间有间隙，但人们总是把流体看着是充

满整个空间没有间隙的连续介质。由于两相流动研究的不是单个颗粒的运动特性，而是大量颗粒的统计平均特性。虽然颗粒的数密度(单位混合物体积中的颗粒数 )比单位体积中流体分子数少得多，但当悬浮颗粒较多时，人们仍可设想离

散分布于流体中颗粒是充满整个空间而没有间隙的流体。这就是常用的拟流体假设。

(3)液固两相流

液体和固体颗粒混合在一些共同流动称液固两相流。

自然界和工业中的典刑实例有夹带泥沙奔流的江河海水，动力、化工,采矿、建筑等工业工程中广泛使用的水力输送，矿浆、纸浆、泥浆、胶桨等浆液

流动等。其它像火电厂锅炉的水力除渣管道中的水渣混合物流动，污水处理与

排放中的污水管道流动等。

(4)液液两相流

两种互不相溶的液体混合在一起的流动称液液两相流。

油田开采与地面集输、分离、排污中的油水两相流，化工过程中的乳浊液

流动、物质提纯和萃取过程中大量的液液混合物流动均是液液两相流的工程实例。

(5)气液液、气液固和液液固多相流

气体、液体和固休颗粒混合在一起的流动称气液固三相流。气体与两种

不能均匀混合、互不相溶的液体混合物在一起的共同流动称为气液液三相流；

两种不能均匀混合、互不相溶的液体与固体颗粒混合在一起的共同流动称为液

液固三相流。

图 1 两相流的范围

2.两相流的研究和处理方法

与普通流体动力学类似，研究两相流问题的方法可以分为理论研究和实验研究两方面。从理论分析方法来看，仍然存在微观和宏观两种观点。微观分析法就是从分子运动论出发，利用Boltzman(波尔兹曼 )方程和统计平均概念及其理论，建立两相流中各相的基本守恒方程。宏观分析法，就是以连续介质假

设为基础，将两相流中各相都视为连续介质流体，根据每一相的质量、动量和

能量宏观守恒方程以及相间相互作用，建立两相流的基本方程组，再利用这些

两相流基本方程组去研究分析各种具体的两相流问题。在许多实际问题中，我

们所关心的不是单个物质粒子的运动而是大量粒子运动所产生的总结果，也就

是所谓的宏观量，如压强、密度、温度、平均流速等。

从宏观观点分析两相流的方法又可以分为 3 类。

(1)模型法

即假定相互扩散作用是连续进行，其基本观点是：

(1)两相流混合物体中的每一点都同时被两相所占据；

(2)混合物的热力学和输运特性取决于各相的特性和浓度；

(3)各相以自己的质量速度中心移动，相间相互扩散作用反映在模型内。(2)容积法

假定过程处于平衡状态，可用平衡方程式进行描述，基本方法是：

(1)认为流动是一维的；

(2)对一个有限容积写出质量、动量和能量守衡方程；

(3)守衡方程即可按混合物写出，也可按单独相列出。

(3)平均法

假定过程处于平衡状态，用平均的守衡方程进行描述，类似低通滤波的方

法。

上述 3 种方法的共同点就是不考虑局部的和瞬时的特性，仅考虑相界面上流体

微粒集中的相互作用，即宏观动力学。

3.两相与多相流的专用术语与基本持性参数

一般用下角标 1 和 2 分别表示两相流中的两种相或组分，对液—气两相系统用下角 l 和 g 区分，对流体—固体两相系统用下角标 f 和 s 区分。通常选定组

分或相 2 为分散相或为分层流动中的轻相。

3.1 质量流量、质量流速和质量相含率(相分数 )

质量流量是指单位时间内流过通道总流通截面积的流体质量，用W表示。两相流总的质量流量是各相质量流量之和，各相的质量流量分别用W 1和 W2表

示，所以有

W= W 1+W2（kg/s）

质量流速是单位流通截面积上的质量流量，用G 表示，如流道的总流通截面积为 A ，各相所占的流通截面积分别为A1和 A 2，则有

G=W/A G 1=W1/A G2=W 2/A

各相质量流量与总质量流里之比称为质量相含率或质量相分数。在气液两相流系统中，气体的质量相含率俗称为质量含气率或干度，用 x 表示；液体的质

量相含率俗称为质量含液率。气液两相流的质量含气率与质量含液率之和是

1，所以有