液液两相流流体破碎模型

液液两相流流体破碎模型

液一液两相中的液滴变形和破碎现象不论在自然界还是在生产实践中都广泛存在，如石油行业中，会遇到油和水两相混合流动的现象。在油水两相流动过程中，常常会形成油。水分散体系，其中分散相粒径大小和分布对于油水混合物的输运、检测以及分离等过程都会产生重要的影响，而分散相的粒径大小和分布又与液滴变形破碎过程密切相关。此外，液滴的变形破碎过程也广泛存在于化工、环保等领域，如液液萃取、多相反应、悬浮聚合及乳状液的制备等化工过程，这些过程速率取决于二相间的相际面积，研究液滴变形破碎对于增加相际面积，加快反应速率提高效率等具有举足轻重的作用。由此可见，认识和掌握较大液滴的变形、破碎过程机理及其规律无疑是非常必要的。要准确预测系统中液滴群的运动和传质过程，最基本的出发点就是对单个液滴的流体力学行为的预测。同时，对单个液滴流体力学行为的准确把握为我们提供了一个理解更为复杂的实际多相流系统的基础。液滴运动规律的研究越来越受到国内外的关注，虽然理论方法和实验手段都取得了一定的进展，但仍有其本身的局限性。

随着CFD的发展，数值模拟成为探索液滴运动规律的重要手段。Rallison 和Acrivos[1]首先将边界积分方法应用于液滴变形数值模拟，该方法的主要优点是使用势函数将二维问题降为一维问题，精度比较高，但由于其数值稳定性较差，只能用来模拟变形不大的液滴运动。由Hirt和Nichols[2]提出的VOF方法被广泛用于两相流的数值模拟中，流体体积分数概念的引入大大简化了捕捉界面的计算，然而由VOF只能得到控制单元中的流体体积分数，要得到物质界面还需要进行界面重构，不同的重构方法会有不同的效果。Osher和Sethia[3]提出的水平集(Levelset)方法是目前处理、追踪物质界面效果较好的一种方法，通过引入水平集函数的概念自动捕捉界面的拓扑变化，在处理复杂结构变化方面优势明显。

尤学一，刘伟[4]采用VOF法追踪了重力流液液和气液相界面的迁移，发现VOF法可很好地追踪强非线性、大形变的相界面随时间的变化。重点讨论了不同相密度比、黏性比条件下，液液相界面和气液相界面的运动形式，验证了液液相界面主要受Kelvin-Helmholtz不稳定性控制。结果显示：液相密度比越大，液液相界面随时间变化越快，气液交界面不再保持水平位置，而以摆动的形式存在；在黏性比小于5时，黏性比不太影响液液相界面随时间变化。

熊燃华[5]在数值求解两相混合的质量和动量守恒方程基础上、运用VOF(volume of fluid )模型求解每个网格单元的体积分数离散方程、然后用界面重构技术追踪液滴与环境流体界面,从而模拟了液滴整个演变过程。数值计算结果虽然在后期破碎过程与实验结果有所区别，但也反映出这几种模式的演变特

点；根据数值得到的流场结构，分析了实验推理的液滴演变机理的合理性，而且进一步深化了液滴演变机理解释。

高一娟[6]基于多相流理论，应用Level-Set方法，建立了微尺度两相流相界面跟踪模型，实现了微槽道中液液两相流的相界面追踪的动态模拟。建立的两相流微流动数值模型能很好的实现界面的动态跟踪和流场模拟，为微槽道内多相流流动模拟打下了好的基础。

董贺飞，张德良，杨国伟[7]采用PFV算法，并结合LevelSet方法，对化工系统中液液两相系统问题进行数值模拟，精确地捕捉两相流动中的界面信息。并以典型的液滴的坠落过程为例，得到了液滴的坠落过程中界面变形和分裂的全过程。数值模拟和已发表论文结果十分吻合，证实了采用摄动有限体积新算法数值模拟液液两相系统中液滴的坠落过程是成功的，为两相流动的数值模拟提供了一种新途径。

国内相关报道较多的是VOF模型，PFV算法是比较不错的模型。

参考文献

[1]GaoZhi，Y angGuowei．Perturbation finite volume method for convective—difusion integral euqation[J]．Acta Mechanica Sinica，2004，20(6)：580—590．

[2]Rallison J M,Acrivos A.A numericla study of the deformation and burst of a viscous drop in an extensional flow[J]．JfluidMech，1978，89：191—200．

[3]Hitr C W,Nicobls B D．V olume of fluid(VOF)method for the dynamics of free boundaries [J]．JComputPhys，1981，39：201—225．

[4]尤学一，刘伟．两相流相界面迁移的数值模拟[J]．水动力学研究与进展，2006，21(6)：724-729。

[5]熊燃华．液-液两相介质中液滴在瞬时来流作用的演变过程研究[D]．中国科学技术大学，2010。

[6]高一娟．微通道内两相流界面追踪的数值模拟[D]．天津大学，2009。

[7]董贺飞，张德良，杨国伟．摄动有限体积算法及其在两相流中应用．计算物理，2009，26(6)：857—864。