两相流体力学研究综述

两相流体力学研究综述

1. 引言

两相流是以工程热物理学为基础,为满足能源、动力、化工、石油、航空、电子、医药等工业进步的要求,而与数学、力学、信息、生物、环境、材料、计算机等学科相互融合交叉而逐步形成和发展起来的一门新兴交叉学科。两相流早日形成统一的学术理论和成熟的应用技术,对21世纪全球所面临的生态环境和能源资源两个焦点问题的解决将有很大的推动作用,是人类在21世纪可持续发展中面临的重大技术问题之一。该工程领域的突破能促进全球能源与环境经济的进步。

在瓦特(Watt)发明蒸汽机以后,随着工业技术的发展,两相流的研究开始得到重视。1877年Boussines系统研究了明渠水流中泥沙的沉降和输运问题,1910年,Mallock研究了声波在泡沫液体介质中传播时强度的衰减过程。20世纪40年代前,一些有价值的气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流问题的经典论文,以及研究成果分散在各工业部门,很少系统研究成果。两相流的术语在20世纪30年代首先出现于美国的一些研究生论文中;1943年,苏联首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上;其后1949年在J.Ap-pl.Phys杂志上也出现了两相流(two-phase flow)这一名词。中国对于两相流的研究起步于20世纪60年代。20世纪80年代以来,除相关论文以外,陆续出版了一些关于两相流的教材和专著,如陈之航(1983)、佟庆理(1982)、陈学俊、林宗虎、张远君等(1987)、方丁酉(1988)、周强泰(1990)、周力行、李海青(1991)、吕砚山(1992)、刘大猷(1993)、郭烈锦(2002)、林建忠(2003)等。

虽然有如此多的文献和著作,但两相流的研究历史还不是很长,对于两相流的理论研究尚处于发展阶段,大量的问题还是靠试验和经验来解决,严格地从数学角度建立数学模型来解决问题,是两相流成为系统的科学还需要一个过程。

2. 两相流分类

相是具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分,即相是物质的单一状态,如固态、液态和气态。在两相流动的研究中通常称为固相、液相和气相。一般来说,各相有明显的分界面。两相流就是指物质两相同时并存且具有明显相界面的混合流动。相的概念在不同学科中界定有所不同。

在物理学中:物质分固、液、气和等离子体四相或四态。单相物质及两相混合均匀的气体或液体的流动都属于单相流;同时存在两种或两种以上相态的物质混合体的流动称为两相或多相流。

在多相流体力学中:从力学的观点来看,不同速度、不同温度和不同尺寸的颗粒、液滴或气泡具有不同的力学特性,因此可以是不同的相。对于颗粒相大小很分散的两相流,可以按颗粒大小相近的原则分组而使其动力学性质相似,不同的组用不同的动力学方程来描述,这样的两相流也称为多相流。从物态的角度来看,不同物态、不同化学组成、不同尺寸和形状的物质也可能属于不同的相。

两相流动中,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,称为连续相或流体相;固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质,称为分散相或颗粒相。流体相和颗粒相组成的流动称为两相流。这里颗粒相可以是不同物态、不同化学组成和不同尺寸的颗粒,从而使复杂的多相流动简化。两相及多相流广泛存在于自然界和工程中,常见的分为气液两相流、气固两相流、液固两相流、液液两相流及多相流。

3. 两相流的研究方法

两相流的研究方法同单相流体力学的研究方法一样,也分为理论研究、实验研究和数值计算三种方法。对于两相流体力学而言,由于许多两相流动现象、机理和过程目前还不甚清

楚,许多工程问题大多依靠大量的观察和测量建立起来的经验关系式,因此实验研究与测量在两相流领域目前仍占有十分重要的位置。数值计算方法在两相流领域近年来得到了快速的发展,在两相流方面起到了越来越重要的作用。

3.1理论分析方法

理论分析方法分为微观和宏观两种观点。微观分析方法是从分子运动论出发,利用Boltzmann(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。利用微观分析法可以作为一级近似从Boltzmann方程导出宏观描述的基本方程,对连续介质理论的基本方程的有效性取得一些指导性的原则。同时还可以给出关于粘性系数、导热系数等疏运系数以及有关颗粒的分压、内能等概念和状态参数的重要知识,这些输运系数在宏观分析中只是作为流体状态变量的已知函数被引用的。应该说两相流分子运动论在描述流动问题上有许多概念上的优点,可以比宏观的连续介质理论给人更多的知识;但由于物理上和数学上的许多困难,目前还不能使用分子运动论来处理任何实际流动问题。对于两相流而言,气体分子运动论发展中的所有限制和困难都依然存在,此外,在粒子一气体系统的分子运动论中还必须作一些附加的近似,还有对于单相液体的分子运动论本身还未发展到成熟阶段,涉及液相的两相流如气液两相流、液固两相流、液液两相流等分子运动论至今还未得到较好的研究和发展。尽管多相流研究Boltamann方法是具有挑战性的问题,关于多相流的Boltamann方法的研究还是吸引了许多学者的兴趣。

3.2实验研究方法

由于两相流的理论还不完善,还不能用于实际,所以出现在动力、化工、机械、能源、宇航及水利等工程领域中的两相流课题,实验研究仍然起着主导的作用。在流体力学的研究中,实验研究贯穿着流体力学研究的整个发展过程并涉及流体力学研究的各个方面,起到了推动流体力学发展的关键的作用。同流体力学的发展一样,实验研究方法在整个两相流体力学研究中起着首要的地位,通过对两相流的实验研究,一方面可以用精细的观察和测量手段揭示流动过程中在流场各处的流态或流动特征;另一方面通过在实验中对流动参量的直接测量可以提供各种特定流动的物理模型。实验在两相流体力学的发展中具有先导性,在认识某一种流动状态的特征和机制时具有关键性的意义和作用,如在观察气液、液固或气固两相流的意维管道流动时发现随着两种成分的比例的改变,出现各种不同的流态。在气液两相流中出现的不同流态如气泡流、柱塞流、弹性流、环状流河滴状流等,而在水平管道中则出现气泡流、柱塞流、环状流、分层流河伯状流等不同流态,均是通过实验观察总结得到。不同的流态具有不同的流动特性要用不同的物理模型来加以分析和解释。目前两相流实验中比较先进的测量技术有电导法(con-ductivity probe)、热膜测速仪(hot-film anemometer)、激光多普勒测速仪(1aser Doppler velocimeter,简称LDV)及粒子成像测速仪(Particle image velocimeter,简称PIV)。

3.3数值计算方法

数值计算是随着计算机的发展而发展起来的一种研究方法,它的优点是能够解决理论研究方法无法解决的复杂流动问题,和实验相比所需的费用和时间都比较少,而且可以有较高的精度,有些在实验室无法进行的实验,通过数值计算方法可以得到很好的研究。数值方法也有局限性,它要求对问题的物理特性有足够的了解,从而能够提炼出较精确的数学方程,数值方法有着理论分析和实验方法不能起到的作用。描述两相流的主要问题是如何分散相(颗粒、夜雾、气泡等)的模型,自20世纪60年代以来,分散相的模型出现了单颗粒动力学模型、小滑移拟流体模型、无滑移流体模型、颗粒轨道模型和双流体模型等/L种。按照系统坐标特性分类,两相流研究方法可以分为Lagrangian方法、Lagrangian-Eulerian方法和Eulerian方法等几种方法。用Lagrafigian方法描述的典型代表是单颗粒动力学模型,适用于流场中任意颗粒不受相邻颗粒存在的影响及流场扰动的影响的情况下,用单颗粒动力学方法确定颗粒运动规律,而忽略颗粒对流场的影响,也不考虑颗粒的脉动影响。用于稀疏两相流场研究中,对单颗粒建立根