化工装置中两相流模型的建立
《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文
《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言在许多工业应用中，如石油、天然气和化学工业中，气液两相流是非常常见的流动状态。
对水平管内气液两相流的流型进行深入的研究对于提升设备的效率和可靠性具有重要意义。
本论文通过数值模拟和实验研究的方法，探讨了水平管内气液两相流的流型特征及其变化规律。
二、文献综述在过去的几十年里，许多学者对气液两相流进行了广泛的研究。
这些研究主要关注流型的分类、流型转换的机理以及流型对流动特性的影响等方面。
随着计算流体动力学（CFD）技术的发展，数值模拟已成为研究气液两相流的重要手段。
同时，实验研究也是验证数值模拟结果和深化理解流动机理的重要途径。
三、数值模拟1. 模型建立本部分首先建立了水平管内气液两相流的物理模型和数学模型。
物理模型包括管道的几何尺寸、流体性质等因素。
数学模型则基于质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律，并考虑了气液两相的相互作用。
2. 数值方法采用计算流体动力学（CFD）方法对模型进行求解。
通过设置适当的边界条件和初始条件，得到气液两相流的流动状态。
此外，还采用了多相流模型和湍流模型等，以更准确地描述气液两相的流动特性。
3. 结果分析通过数值模拟，得到了水平管内气液两相流的流型图、流速分布、压力分布等结果。
分析这些结果，可以深入了解流型的转变过程和流动特性。
四、实验研究1. 实验装置设计了一套用于气液两相流实验的装置，包括水平管道、气体供应系统、液体供应系统、测量系统等。
通过调节气体和液体的流量，可以模拟不同工况下的气液两相流。
2. 实验方法在实验过程中，通过观察和记录流动现象，获取了流型、流速、压力等数据。
同时，还采用了高速摄像等技术，对流动过程进行可视化分析。
3. 结果分析将实验结果与数值模拟结果进行对比，验证了数值模拟的准确性。
同时，还分析了不同因素（如管道直径、流体性质等）对气液两相流流型的影响。
五、结论与展望通过数值模拟和实验研究，得到了以下结论：1. 水平管内气液两相流的流型受多种因素影响，包括管道直径、流体性质、流速等。
第2章 气液两相流的模型
v 2
两边同除 Adz 得
' dv dp v 2 4 g sin G 2 ' dx dp g ' f 2 vg vl x dz 2 D v A dz dp dz
1
2-11
G G G ' 所以 Gdv Gd dv d vl' x vg vl' v A A A
2
2
2-13
多相管流理论与计算
由于假定两相流动已达到热力学平衡状态
v' f ( p)
' dv ' ' dv d vl' x vg vl' vg vl' dx x dp 1 x l dp dp dp
多相管流理论与计算
两边同除以
VdZ
dI w dp dv v g sin 0 dZ dZ dZ
dI w dp dv [ v g sin ] dZ dZ dZ
总压力降
动能损失
重位损失
摩擦损失
多相管流理论与计算
dp ( )重位 g sin dZ
dIw dp ( )摩擦 dZ dZ
dp dv ( ) 加速度 v dZ dZ
dp dp dp dp ( )重位 ( )摩擦 ( )加速度 dZ dZ dZ dZ
dp dp v2 由 ( ) 摩擦＝ 并取 为正值 dZ dz d 2
《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文
《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言随着能源、化工等领域的不断发展，水平管内气液两相流的研究变得日益重要。
在许多工业过程中，如石油开采、管道输送、冷却系统等，都需要对气液两相流进行深入的研究。
气液两相流的流型对管道的输送效率、安全性能以及系统设计都有重要的影响。
因此，本文对水平管内气液两相流的流型进行了数值模拟与实验研究，以期为相关领域的实际应用提供理论依据和参考。
二、流型分类与数值模拟方法水平管内气液两相流的流型主要分为泡状流、弹状流、泡状-弹状混合流、环状流等。
这些流型具有不同的流动特性和相互转换的规律。
为了更好地研究这些流型的特性，本文采用了数值模拟的方法。
数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）方法，通过建立数学模型，对不同流型下的气液两相流进行模拟。
在模拟过程中，考虑了流体物性、管道尺寸、流动速度等因素对流型的影响。
同时，采用适当的湍流模型和两相流模型，对气液两相的相互作用和流动特性进行描述。
三、实验研究方法与结果分析为了验证数值模拟结果的准确性，本文还进行了实验研究。
实验采用水平管道装置，通过改变气液流量、管道尺寸等参数，观察并记录不同流型下的流动特性。
实验结果表明，随着气液流量的增加，流型逐渐由泡状流向环状流转变。
在泡状流中，气泡分散在连续的液相中；在弹状流中，较大的气泡或气团交替出现在连续的液相中；而在环状流中，气体核心包裹着液体在管道中流动。
这些流型的转换规律与数值模拟结果基本一致。
此外，实验还发现，管道尺寸对流型也有显著影响。
当管道直径增大时，更易形成环状流；而当管道直径较小时，更易形成泡状或弹状流。
这为实际工程应用中管道设计和优化提供了重要的参考依据。
四、数值模拟与实验结果对比分析将数值模拟结果与实验结果进行对比分析，可以发现两者在流型转换规律和流动特性方面具有较好的一致性。
这表明本文采用的数值模拟方法具有较高的准确性和可靠性，可以为实际工程应用提供有效的预测和指导。
气液两相流数值模拟方法的研究与应用
气液两相流数值模拟方法的研究与应用气液两相流是指同时存在气体和液体的复杂流动现象，广泛存在于自然界和工业生产中，如瀑布、波浪、化工反应器、石油开采等。
气液两相流的研究对于理解和控制这些现象、提高生产效率和安全性具有重要意义。
数值模拟是研究气液两相流的有效方法。
相比于实验方法，数值模拟的优势在于能够获得更多的细节信息和精确数据，同时也可以极大地降低成本并避免实验过程中的危险性和不确定性。
本文将介绍气液两相流数值模拟的方法，及其应用领域和未来挑战。
一、数值模拟方法1. 传统方法传统方法通常采用两相流模型，基于欧拉方程求解。
由于气液两相流的复杂性，这种方法常常涉及到多个物理场的耦合和相互作用，如热传递、质量传递、化学反应、多相流动力学等。
因此，该方法具有计算量大、计算时间长、计算结果不精确等缺点。
2. 基于LBM的方法LBM（lattice boltzmann method）是一种介观尺度（宏观与微观之间的中间尺度）数值模拟方法，可以直接模拟流体内部微观运动方式，适用于模拟多相流动现象。
这种方法是根据Boltzmann方程建立的，通过碰撞模型模拟流体分子的运动，以此获得整个流场在不同时间的状态。
该方法具有计算速度快、模拟精度高、易于建模及可扩展性等优点。
3. 基于CFD的方法CFD（computational fluid dynamics）是指应用计算机数值方法对流体流动进行模拟和分析的工程技术。
CFD方法通过建立流动场的数学模型并采用数值求解方法进行计算，从而得到流场的物理或数学解。
这种方法在气液两相流领域中也得到了广泛应用。
4. 其他方法此外，还有一些其他的数值模拟方法，例如基于粒子方法的SPH（smoothed particle hydrodynamics）和DEM（discrete element method）等。
这些方法基于不同的假设和算法，都有各自的优缺点，在不同的气液两相流应用场景中发挥着重要的作用。
气液两相流动模型的建立和优化
气液两相流动模型的建立和优化随着科学技术的发展和应用范围的扩大，气液两相流动的研究和优化已成为工业界和学术界的热门议题。
然而，想要建立一个可靠的气液两相流动模型并不容易。
本文将从模型建立和优化两个方面探讨气液两相流动模型的研究进展。
一、模型建立1.动态行为建模气液两相流动模型的建立要从其动态行为入手。
以液滴运动为例，液滴与气相之间的交互会导致其运动状态的变化，其中液滴周围的气流是影响其运动的关键因素之一。
因此，模拟液滴与气相的相互作用是建立气液两相流动模型的必要条件之一。
2.液相建模液相在气液两相流动中所扮演的角色十分重要，液相建模是建立气液两相流动模型的核心之一。
其中，两相流的流量分布和液滴分布等问题都需要液相建模来解决。
通过数学模型对液相的流动进行分析，有助于了解液相的动态行为和其对其他因素的影响。
3.气相建模气相在气液两相流动中的作用主要体现在气流的形成和传输上。
根据气相的动态行为建立模型可以帮助我们准确预测气相的影响，更好地理解气液两相流动。
二、优化模型1.精度的优化模型的精度是模型优化的关键。
在建立的模型中，精细化的模拟是精度优化的核心所在。
通过模拟的方式检验模型的准确性，同时加强与实际工程的联系，进一步提升模型的可靠性。
2.效率的优化模型的效率也是模型优化需要关注的重点。
透彻了解模型的特征和模型的预测时间之间的相关性是提升模型效率的基石。
通过寻找可供优化的关键节点，改进模型对于动态变化的更快的反应时间，大大提高了模型的效率。
3.实时性的优化实时性的优化更多的是针对某些特殊的工业环境和应用场景而言。
在模型的建立和优化过程中，需要着重保障模型的实时性。
实时性的优化除了精度和效率外，还需要考虑动态响应和运行能力等问题。
结语气液两相流动模型的建立和优化虽然需要在数学物理等方面投入大量的工作，但是这个模型的实际应用非常广泛。
通过对其研究，我们可以更好地理解气液两相流动特征，更好地预测和调节流动行为。
两相流、多相流
两相流的概念及类型两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。
若流动系统中物质的相态多于两个，则称为多相流，两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。
通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。
气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-液体系统。
固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。
两相流的流动形态有多种。
除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依据两相相对含量（常称为相比）、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件（管内、多孔板上、沿壁面等）划分流动形态。
对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。
两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变。
流动形态不同，则热量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。
例如多孔板上气液两相处于鼓泡状态时，正系统混合物（浓度增加时表面张力减低）的板效率(见级效率)高于负系统混合物（浓度增加时表面张力增加）；而喷射状态下恰好相反。
两相流研究的另一个基本课题，是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。
当分散相液滴或气泡时，有很多特点。
例如液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环流，界面上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。
这些都会影响传质通量，进而影响设备的性能。
两相流研究的课题，还有两相流系统的摩擦阻力，系统的振荡和稳定性等。
两相流研究模型两相流的理论分析比单相流困难得多，描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。
大量理论工作采用的是两类简化模型：①均相模型。
将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物，假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，但须对它的物理性质及传递性质作合理的假定；②分相模型。
基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究
基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究1. 引言气固两相流是指气体和固体颗粒同时存在且相互作用的流体系统，其广泛应用于化工、能源、环境等领域。
其中，流化床是一种常见的气固两相流设备，其特点是颗粒床层的非均匀性和颗粒与气体之间的复杂相互作用。
为了更好地理解和优化流化床的性能，研究人员创造了各种流态模型，并利用计算流体力学（CFD）软件进行模拟和研究。
本文将介绍基于Fluent软件对流化床的气固两相流模型进行的研究。
2. 模型建立基于Fluent软件对流化床的气固两相流模型进行研究首先需要建立适当的数学模型。
在模型建立过程中，考虑到颗粒的二维流动特性，我们采用了欧拉-拉格朗日方法，即将流体相视为连续介质，颗粒相视为离散颗粒。
然后，我们引入了连续相动力学方程和离散相运动方程，以描述气固两相之间的相互作用。
其中，连续相动力学方程包括连续相速度、压力和密度的变化等，离散相运动方程则考虑了颗粒的运动速度和位置等。
3. 模型求解在建立气固两相流模型后，我们利用Fluent软件进行数值求解。
首先，根据实际流化床的几何尺寸和操作条件，对计算域进行网格划分，并设定边界条件。
然后，通过求解连续相动力学方程和离散相运动方程，我们可以获得气固两相流的速度场、浓度场以及压力场等结果。
通过对结果进行分析和比较，我们可以得到流化床内气固两相之间的相互作用规律。
4. 结果与讨论根据模型求解的结果，我们可以得到一系列流化床内气固两相流的特性参数，如颗粒床层的压降、气固两相的混合程度等。
通过对这些参数的分析，可以评估流化床的性能，进而优化流化床的设计和操作。
此外，还可以对流化床的内部流动特征进行研究，如颗粒的运动规律、颗粒间的碰撞等，以深入理解流化床的工作原理。
5. 研究的局限性与展望通过基于Fluent软件对流化床的气固两相流模型的研究，我们可以得到一定的研究结果和结论。
搅拌釜内气液两相动态相对稳定状态的研究的开题报告
搅拌釜内气液两相动态相对稳定状态的研究的开题报告一、课题背景及研究意义随着现代工业的高速发展，搅拌设备已广泛应用于化工、制药、食品等行业。
其中，搅拌釜作为一种常见的反应设备，其内部存在着气液两相的相互作用，这将直接影响到反应的效率和质量。
因此，对于搅拌釜内气液两相动态相对稳定状态的研究具有重要的意义。
二、研究内容和方案本研究将探究搅拌釜内气液两相动态相对稳定状态的特点和规律。
具体研究内容包括：1. 建立搅拌釜内气液两相混合的数学模型，探究气液两相流体的物理和化学性质。
2. 采用实验方法，测量搅拌釜内气液两相混合的动态数据，分析其在不同参数条件下的变化规律。
3. 结合数值计算和实验数据，对搅拌釜内气液两相动态相对稳定状态进行定量分析，探讨其影响因素和内在机理。
根据以上研究内容，本研究将采用数值模拟和实验相结合的方法，以建立搅拌釜内气液两相混合的数学模型为基础，通过多组实验数据的对比和分析，将探讨气液两相流动的特点和规律，为反应设备的设计和优化提供理论依据。
三、研究成果与预期效益通过本研究，将实现对搅拌釜内气液两相动态相对稳定状态的深入探究，为设备的优化和研发提供可靠的理论支持。
同时，预计本研究成果能够：1. 提升搅拌釜反应效率，降低生产成本。
2. 降低搅拌釜操作过程中的失误率和生产事故率。
3. 为相关领域的科学研究提供新的理论和实践支持。
四、研究方法本研究采用数值模拟和实验相结合的方法，具体操作包括：1. 建立气液两相混合的数学模型，并通过计算机模拟分析其变化规律。
2. 设计实验方案，进行对比测试和定量分析，获取搅拌釜内气液两相混合的实际数据。
3. 结合数值模拟和实验数据，对搅拌釜内气液两相动态相对稳定状态进行定量分析，探讨其影响因素和内在机理。
五、研究计划及进度安排1. 前期准备工作（1个月）：研究文献调研、实验装置的准备、实验设计和预研究等。
2. 数值模拟（2个月）：建立气液两相混合的数学模型，并进行数值模拟和分析。
固液两相流模型
固液两相流模型固液两相流模型是研究固体颗粒在液体中运动和传递的流体力学模型。
在工程领域中，固液两相流模型被广泛应用于颗粒输送、颗粒分离、颗粒沉降等过程的设计和优化。
本文将介绍固液两相流模型的基本原理、常用模型和应用领域。
固液两相流模型的基本原理是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本方程。
在固液两相流中，固体颗粒和液体之间存在着相互作用力，包括颗粒与颗粒之间的相互作用力和颗粒与液体之间的相互作用力。
这些相互作用力会影响颗粒的运动和传递过程。
在固液两相流模型中，常用的模型包括离散元模型（DEM）、多相流模型和颗粒流模型。
离散元模型是一种基于颗粒之间相互作用力的模型，通过追踪每个颗粒的运动和相互作用，来模拟固液两相流的行为。
多相流模型是一种基于连续介质假设的模型，将固体颗粒和液体视为连续介质，通过求解连续介质的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，来模拟固液两相流的行为。
颗粒流模型是一种介于离散元模型和多相流模型之间的模型，将颗粒视为离散元，将液体视为连续介质，通过求解离散元的运动方程和连续介质的守恒方程，来模拟固液两相流的行为。
固液两相流模型在许多领域中有着广泛的应用。
在矿山工程中，固液两相流模型被用于研究矿石的输送和分离过程，以提高矿石的回收率和降低能耗。
在化工工程中，固液两相流模型被用于研究颗粒在反应器中的运动和传递过程，以提高反应器的效率和产品质量。
在环境工程中，固液两相流模型被用于研究颗粒在水体中的沉降和悬浮过程，以评估水体的污染程度和设计水处理设备。
总之，固液两相流模型是研究固体颗粒在液体中运动和传递的流体力学模型。
通过基本原理和常用模型，可以模拟和预测固液两相流的行为。
固液两相流模型在工程领域中有着广泛的应用，可以用于颗粒输送、颗粒分离、颗粒沉降等过程的设计和优化。
fluent两相流空化模型 -回复
fluent两相流空化模型-回复什么是"fluent两相流空化模型"，它的原理以及如何应用。
Fluent两相流空化模型是在ANSYS Fluent软件中用于模拟和研究两相流动时发生的空化现象的模型。
在许多实际应用中，我们经常会遇到液体和气体或气固两相流动的情况，例如在化工、能源、核工程等领域。
了解两相流动的空化现象对于设计和优化这些工艺过程非常重要。
首先，让我们来了解一下两相流动中的空化现象。
空化是指在液体中存在气泡或气体被迅速释放的现象。
当液体中含有过饱和的气体时，由于某种扰动（如压力降低，温度增加或流动速度增加等）的作用，气体会形成小气泡并迅速增长，最后从液体中释放。
这个过程称为空化。
空化过程可能会导致流动性能下降，设备损坏甚至危险。
为了研究和模拟这种空化现象，ANSYS Fluent提供了多个模型和方法，其中最常用的是VOF（Volume of Fluid）模型。
这个模型基于充满两相流动介质的控制方程组，其中包括连续性方程、动量方程和能量方程。
在VOF模型中，通过区分两个流体相的体积分数来追踪这两相在流动中的分布。
该模型使用一个剪应力传递模型来描述液体与气体或气固相之间的相互作用。
使用Fluent两相流空化模型的一般步骤如下：1. 准备模型：首先，需要对研究对象进行几何建模，并设置相应的边界条件和材料属性。
这包括定义入口和出口条件、壁面条件以及其他必要的物理参数。
2. 设置模型：在Fluent软件中创建一个新的两相流动模型，并选择使用VOF模型来描述流动。
在设置界面中，可以指定流体的性质、空化模型的参数以及其他需要考虑的因素。
3. 网格划分：为了准确模拟流动，需要对计算域进行网格划分。
网格密度需要根据具体情况进行选择，以保证模拟结果的准确性。
4. 定义相互作用：在VOF模型中，定义液体和气体或气固两相之间的相互作用是非常重要的。
通过使用相关的物理模型和参数，可以描述两相之间的相互影响，并模拟空化过程的发生和发展。
热管换热器的两相流模型与耦合传热的研究
热管换热器的两相流模型与耦合传热的研究一、本文概述随着工业技术的快速发展，热管换热器作为一种高效节能的传热设备，在能源、化工、航空航天等领域得到了广泛应用。
热管换热器以其独特的两相流运行机制和优良的传热性能，成为现代传热技术的重要研究方向。
本文旨在深入探讨热管换热器的两相流模型与耦合传热机制，以期为优化热管换热器的设计、提高传热效率提供理论支撑和实践指导。
本文首先将对热管换热器的基本工作原理进行简要介绍，阐述两相流在热管中的流动特性及其对传热性能的影响。
随后，将重点讨论热管换热器的两相流模型，包括流动模型的建立、模型的数值求解方法以及模型的验证与改进等方面。
在此基础上，本文将进一步分析热管换热器中的耦合传热过程，探讨温度场、流场、热阻等因素之间的相互作用及其对传热效率的影响。
通过本文的研究，希望能够揭示热管换热器两相流与耦合传热的内在规律，为热管换热器的优化设计和性能提升提供理论依据。
本文的研究成果也将为其他相关领域的研究提供借鉴和参考，推动传热技术的不断进步和发展。
二、热管换热器两相流模型研究热管换热器作为一种高效的传热设备，其内部涉及到复杂的两相流动和传热过程。
为了更好地理解和优化热管换热器的性能，本研究针对其两相流模型进行了深入的研究。
我们建立了热管换热器的两相流数学模型。
该模型综合考虑了流体的流动特性、相变过程以及热传导等因素。
通过引入适当的控制方程，如质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，我们成功描述了热管内部液态和汽态工质的流动与传热过程。
接着，我们利用数值计算方法对模型进行了求解。
通过选择合适的数值算法和边界条件，我们得到了热管内部流场和温度场的分布。
分析结果表明，两相流的存在对热管的传热性能有着显著的影响。
特别是在热管的蒸发段和冷凝段，两相流的存在使得传热过程更加复杂，但也有效地提高了热管的传热效率。
我们还对模型进行了实验验证。
通过搭建热管换热器实验平台，我们测量了不同工况下热管的传热性能。
实用文档其他之气液两相流理论分析模型及实验平台介绍
气液两相流理论分析模型及实验平台介绍摘要：介绍了气液两相流的理论分析模型，均相流模型、分相流模型、漂移流模型、双流体模型，各模型的特点及适用条件，为实验研究提供理论基础。
并介绍了国家化工设备质量监督检验中心换热实验平台，为气液两相流实验研究提供支撑。
关键词：气液两相流；两相流模型；实验平台伴随着管壳式换热器的普遍应用，两相流动及沸腾换热特性的研究越来越得到各国学者们的重视。
两相流动及沸腾广泛存在于各个工业领域中，如工业锅炉设备中，水经过软化后通过电加热或者化石燃料燃烧加热沸腾，气化为水汽两相状态，过热的饱和蒸汽经过汽包，送至各类用户；产热电站及动力站也是通过各类热源的作用，使得原始介质发生相变产生两相或者多相介质直接或者间接作为动力及发电源动力；汽轮机、核反应堆堆芯、蒸汽发生器等等同样伴随着各类气液两相或者多相流动及沸腾换热现象。
一、气液两相流理论分析模型（一）均相流模型均相流模型是最简单的物理模型，结构示意图如图1。
将气液两相流混合物看做是一种均匀介质，混合物的物性参数即两相介质各自参数的平均值。
运用一般流体力学的研究方法，对气液混合物的平均流动特性进行确定和描述。
该模型基于以下几项基础的假设：1.气液两相的流速相等，故滑动比，滑差，流动密度都相等，把气液两相流体看作均匀流。
2.气液两相混合物处于热力学平衡状态。
即气液两相的温度是相等的，且不存在热量传递。
3.两相流的摩擦系数基于单相流摩擦系数，且气液两相混合物物理特性遵循等熵变化。
这种均相模型一般适用于高速高压条件下的泡状流和雾状流。
这是由于在一般实际情况下，两相流速是不可能相同的。
只有在高速高压下两相流质混合才更加均匀。
由于假设两相之间速度是相同的，其与实验计算值误差较大，随着质量流量的减小偏差逐渐增大。
所以准确确定气液两相混合物的平均物理特性对于选择模型十分重要。
（二）分相流模型分相流模型的结构示意图如图2。
分相流模型将气液两相流的两相分别看作连续的有自身平均流速的单独流体，即气液介质有各自的物性参数，当气液两相流速相等时就成为了均相流模型。
变压吸附两相流FLUENT模型的建立_由宏新
算简单， 因此常用于多组分气体的吸附计算中 Sadeghzadeh 等 等
［10 ］ ［7 ］
。
； ④设吸附床为一个均相， LDF
、 Huang 等
［8 ］
、 Noumuir 方程对吸附分离过程
模型用于描述传质速率； ⑤考虑吸附热影响， 吸附系 ［11 ］ 统与环境假设为绝热 ； ⑥ 分子筛颗粒各向同性，
1
数学模型
在建立变压吸附数学模型过程中， 进行如下简
化和假设： ①采用立式变压吸附装置结构外形 ， 同时 考虑气体的自重作用； ②空气由氮气和氧气组成， 用 理想气体定律描述氮气和氧气的性质， 考虑气体的 压缩性； ③双组分 Langmuir 方程用来描述变压吸附 中的吸附平衡现象
［4 ］
。对于两相平衡模型， Langmuir 扩展模型计
：
（ 3）
j， j≠ i
D i， m = （ 1 － X i ） / ∑ （ X j / D ij ）
将传质速率模型和两相平衡模型与多孔介质模型耦 反映 气 － 固 两 相 传 质。 通 过 用 户 自 定 义 标 量 合， （ UDS） 功能， 引入固相能量方程， 将多孔介质单相模 型整合为更加完善的气 －固两相流模型。 2. 1 组分传质速率求解 固相中气体组分的实际浓度 q i 与气固两相平
∑S
i =1
i
（ 1）
T f 为 气 相 温 度， K； C p 为 气 相 定 压 比 热， 式中， J / （ kg · K） 。 固相能量守恒方程
（ ρ C ） s T s / t =
［18 ］
·（ K s T s ） + （ 6 h f / d ） （ T f － T s ） +
PEMFC流道横截面二维两相流数学模型_模型建立
第58卷 第7期 化 工 学 报 Vo l 158 N o 172007年7月 Journal o f Chemical Industry and Eng ineering (China) July 2007研究论文PEMFC 流道横截面二维两相流数学模型(Ⅰ)模型建立王红星,许 莉,王宇新(天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072)摘要:建立了质子交换膜燃料电池(PEM FC )流道和脊横截面的二维两相流数学模型(acr oss -the -channel model)。
模型描述了PEM FC 主要的传递和反应过程,包括阴、阳两极反应气的质量传递、动量传递、电子和质子的传递以及电化学反应等。
模型细致地描述了水(液态和气态)在扩散层、催化层以及质子交换膜中的传递过程。
模型可以用来研究流场、扩散层、催化层以及膜等对电池性能的影响,进而达到优化电池结构的目的。
关键词:质子交换膜燃料电池;数学模型;两相流中图分类号:T M 91114 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2007)07-1691-08Two -ph ase flow across -the -ch annel model of PEMFC (Ⅰ)M odel developmentWAN G H ongxin g,XU Li,WANG Yuxin(State K ey L abor ato ry of Chemical Eng ineer ing ,School of Chemical Engineer ingand T echnology ,T ianj in Univer sity ,T ianj in 300072,China )Abstract:A tw o -dimensional,tw o -phase acro ss the channel computatio nal mo del of proton ex change membrane fuel cell (PEMFC)is established 1It accounts for all m ajo r transpor t phenomena,including w ater and proton transport through the membrane,electrochemical r eaction,transpo rt of electrons,tr ansport and phase chang e of w ater in the gas diffusion electr odes,and diffusio n of mult-i co mpo nent g as mixtures in the electro de 1The model can be used to research the effects o f flow field,diffusion lay er,catalyst lay er and m em br ane on the per for mance of PEM FC,so the cell structure can be optimized.Key words:proton ex chang e membrane fuel cell;mathem atical model;tw o -phase flow2006-10-11收到初稿,2007-02-08收到修改稿。
openfoam气固两相流模拟方法
OpenFOAM是一种用于流体动力学模拟的开源软件，可以用于气固两相流的模拟。
以下是OpenFOAM进行气固两相流模拟的基本方法：
1.建立模型：首先需要建立气固两相流模型，包括气相和固相的物理特性、
相互作用的边界条件等。
2.划分网格：使用专业的网格生成软件将模型划分为适当的网格，以便于计
算。
3.定义控制方程：根据流体力学和固体力学的控制方程，定义气相和固相的
运动方程。
4.求解方程：使用OpenFOAM的求解器对控制方程进行求解，得到气相和
固相的速度、压力、温度等物理量的分布。
5.边界条件处理：根据实际情况，设置合适的边界条件，如速度入口、压力
出口等。
6.迭代计算：通过迭代计算，不断更新物理量的分布，直到达到收敛标准。
7.结果后处理：对计算结果进行后处理，提取需要的信息，如速度场、压力
场、颗粒轨迹等。
需要注意的是，气固两相流的模拟需要综合考虑流体力学和固体力学的特性，以及两相之间的相互作用。
因此，在进行模拟时需要充分考虑各种因素，并对模型进行适当的简化。
气液两相流的数值模拟与优化设计
气液两相流的数值模拟与优化设计一、引言气液两相流是工程中常见的多相流现象，其在化工、石油、能源等领域具有重要作用。
为了减少试验研究的成本和时间，在计算机科学技术的支持下，数值模拟逐渐成为了研究气液两相流的有效手段。
本文将介绍气液两相流的数值模拟方法，并探讨其在优化设计中的应用。
二、气液两相流的数值模拟方法气液两相流的数值模拟方法可以分为欧拉方法和拉格朗日方法。
1.欧拉方法：在欧拉方法中，将气体和液体视为一个连续的介质，通过求解守恒方程来计算气液两相流的运动状态。
欧拉方法紧耦合，可用于复杂的多相流体系模拟，但其对流体的宏观特性的表示较弱，并不能很好地描述流场的微观特性。
2.拉格朗日方法：在拉格朗日方法中，将每个颗粒视为一个独立的物体，通过求解运动方程来计算气液两相流的运动状态。
拉格朗日方法强调流场的微观特性，并适用于研究颗粒的运动学问题，但其较难处理复杂的多相流体系模拟。
三、气液两相流数值模拟的优化设计应用气液两相流数值模拟可用于优化设计，包括以下方面：1.应用数值模拟分析气液两相流过程的物理规律，预测气液两相流在不同工况下的流动特性，从而优化流场设计，提高效率和性能。
2.通过数值模拟研究气液两相流变化规律，提高设备运行可靠性和安全性。
3.应用数值模拟分析气液两相流过程的化学反应，探讨反应机理，优化反应器设计，提高反应效率和稳定性。
四、气液两相流数值模拟在化工行业优化设计中的实例通过气液两相流数值模拟，可以优化化工行业中的化学反应器设计。
一例是优化稀有金属催化反应器中液固气三相流的分布，提高反应效率和稳定性。
在该例中，利用拉格朗日方法模拟反应器内单一球形粒子的运动规律，建立了数学模型。
通过模拟分析，发现粒子的径向分布在反应器底部峰值，而体积分布在靠近反应器顶部。
优化设计中，采用多孔涂层技术，将液体布散到球形粒子表面，将气体分布到多孔涂层内部，从而提高了反应器内的质量传递效率和反应效率，实现了优化设计。
PEMFC流道横截面二维两相流数学模型(Ⅰ) 模型建立
（ ｔ ｔ ｙ Ｌａ ｏ ａ ｏ ｙ ｏ ｅ ｃ ｌＥｎ ｉ ｅｒｎ Ｓａｅ Ｋｅ ｂ ｒ ｔｒ ｆ Ｃｈ ｍｉａ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｓ ｈ ｏ ｆ Ｃｈ ｍｉａ ｇｉｅｒｎ ｃ ｏ ｌ ｅ ｃ ｌＥｎ ｎ ｅｉ ｇ ｏ
ａ ｄ Ｔｅｈ ｏｏ ｙ， Ｔｉｎ ｉ ｉｅｓｔ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ａ ｊ ｎＵｎ ｖ ｒｉｙ，Ｔｉｎ ｉ ０ ０ ２ Ｃｈ ｎ ） ａ ｊｎ ３ ０ ７ ， ｉａ
ｍｏ ｅ） ｄ １。模 型 描 述 了 Ｐ ＭＦ Ｅ Ｃ主 要 的传 递 和 反 应 过 程 ，包 括 阴 、 阳 两 极 反 应 气 的质 量 传 递 、动 量 传 递 、 电 子 和 质 子 的 传 递 以及 电化 学 反 应 等 。模 型细 致地 描 述 了水 （ 态 和 气 态 ） 在 扩 散 层 、催 化 层 以及 质 子 交 换 膜 中 的 传 递 液
Ｔ ｏ ｐ ａｅｆｏ ｃ ｏ ｓｔ ｅｃ ａ ｎ ｌ ｄ ｌ ｆＰ Ｍ Ｆ （ ｗ — ｈ ｓ ｌｗ ａ ｒ ｓ— —ｈ ｎ ｅ ｍｏ ｅ ｏ Ｅ ｈ Ｃ Ｉ）
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水平管道两相流模型与试验研究
水平管道两相流模型与试验研究一、本文概述本文旨在探讨和研究水平管道中的两相流模型及其相关试验。
两相流是指在一个共同的流动通道中，同时存在两种不同相态的物质（如固体和液体、液体和气体或固体和气体）同时流动的现象。
这种现象在许多工业领域中具有广泛的应用，如石油、化工、能源、环保等。
对水平管道中两相流模型的研究具有重要的理论价值和实际应用意义。
本文将首先介绍两相流的基本概念、分类及其特性，然后重点分析水平管道中两相流的流动特性、影响因素及其模型建立。
在此基础上，我们将对水平管道两相流的试验研究方法进行详细介绍，包括试验设备、试验步骤、数据处理和分析方法等。
我们将对试验结果进行深入的讨论和分析，以验证所建立的两相流模型的准确性和有效性，为实际应用提供理论基础和指导。
二、水平管道两相流基础理论水平管道中的两相流是指在一个共同的流动通道中，同时存在两种不同相态的物质（如液体和气体）进行混合流动的现象。
这种流动现象广泛存在于工业过程中，如石油、化工、能源、环保等领域。
为了深入理解和优化这类流动过程，建立准确的两相流模型并进行试验研究至关重要。
连续介质模型：连续介质模型是两相流研究中最常用的模型之一。
该模型将液体和气体视为一个连续的统一体，通过引入相应的相变参数（如体积分数、密度、粘度等）来描述两种物质之间的相互作用和流动特性。
该模型能够方便地应用流体力学的基本理论，如动量守恒、能量守恒等，进行流动分析和计算。
界面追踪模型：界面追踪模型则更加关注两相之间的界面变化。
它通过对两相界面的精确追踪，能够详细描述液滴或气泡的生成、长大、变形、破碎以及相互之间的碰撞、合并等动态过程。
这种模型在描述高速、高浓度或复杂形态的两相流时具有较高的精度，但也面临着计算量大、计算稳定性差等挑战。
统计力学模型：统计力学模型则试图从微观粒子运动的角度来描述两相流。
它通过对大量粒子运动的统计分析，得到宏观流场的运动规律。
这种模型在描述两相流中的湍流、扩散、传热等复杂现象时具有一定的优势，但需要较为深厚的数学和物理基础。
气液两相流场的数值模拟与分析
气液两相流场的数值模拟与分析气液两相流是目前工业领域中非常常见的一种流动模式，特别是在石油、化工、生物、医药等领域，几乎都会遇到气液两相流。
气液两相流在工业生产中的应用非常广泛，但同时也会存在一些问题，比如管道堵塞、设备损坏、能耗增加等。
因此，对气液两相流的数值模拟与分析有着非常重要的意义。
一、气液两相流的数值模拟方法气液两相流场一般采用计算流体力学方法进行数值模拟，其中最常用的方法是欧拉-拉格朗日方法、欧拉-欧拉方法和欧拉-多相方法。
欧拉-拉格朗日方法（EL）是以分离相流为前提，将气相和液相视为两个单独的相，对气相和液相的流动状态单独求解。
该方法适用于高浓度的悬浮液。
该方法的优点在于其计算过程简单，且准确度较高。
欧拉-欧拉方法是将气液两相视为一体，即在同一时刻同一空间位置内同时解压气相和液相连续性方程和运动方程。
该方法适用于气液界面位置变化较大的情况。
但是，由于欧拉-欧拉方法1参数较多，复杂度较高，所以在实际应用中选择性较少。
欧拉-多相方法（Eulerian Multi-Fluid Method）是欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法的综合，是一种介于两者之间的方法。
在欧拉-多相方法中，对于气液两相的流动过程采用不同的方程组来描述并单独求解。
如果在模拟过程中需要考虑气液相互作用、气泡合并、气泡破裂等情况时，欧拉-多相方法则会是比较好的选择。
二、气液两相流场数值模拟的挑战和解决方案对气液两相流场进行数值模拟时，会遇到多种挑战，例如气液两相流相行为的非线性、气液相界面上的微观结构复杂等问题都需要考虑。
在现实过程中，气液两相流场的实际情况往往会比较复杂，具有不确定性和非线性等特点。
这给气液两相流场的数值模拟带来了很大的难度。
针对以上的问题，一些新的数值模拟方法也陆续出现。
例如流域耗散模型，可以克服水平分辨率不高时产生的分裂和合并等误差，以达到更高的计算精度。
除此之外，还有一些基于机器学习算法的气液两相流场模拟方法也逐渐发展起来。
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化工装置中的两相流模型的建立摘要：通过文献调研，本文重点分析了大涡模型在离心泵两相流中的应用。
较为详细的概述了模型的建立以及边界条件的确定和求解方法。
关键词：文献调研、大涡模型、边界条件前言两相流动是流体力学中一门重要的分支学科，它在很多现代工程技术甚至医学中得到广泛的应用。
可以认为，绝大多数的流动都是多相流动，纯粹的单相流动只是个别情况。
降雾，下雨、下冰雹、云层流动、流沙、尘暴等是自然界中两相流动的一些例子。
各种发动机和窖炉中的喷雾燃烧、核反应堆的冷却、宇航飞行器的两相绕流、含铝推进剂固体火箭发动机中的燃气流动、石油和天然气的开采和输运、热力设备与制冷系统的工作过程、化学工艺中的流态化、吸收、蒸发、凝结和化学反应过程、采矿和冶金过程中的旋流分离和输运、气力和液力输送、煤的气化和液化、煤粉和煤浆燃烧、空气和水的污染、环保、粉尘爆炸、血液的循环与凝固、水利工程中的泥沙运动和高速渗气流等工程实际问题无不与两相流动有关。
离心泵是化工生产中最常见的装置之一，泵内流体的运动以及流体对泵的的磨蚀尤为突出，而两相流动的研究就是为设计泵以及如何防止这些机械磨蚀产生的基础和关键性的内容。
近几年，两相流动己发展到与可压缩流体力学及边界层理论有同等重要的地位。
因此固液两相流动及多相流动的研究不仅对流体力学的发展，而且对解决工程中的实际问题具有重大的理论价值和实际意义。
下面就离心泵叶轮内高浓度液-固两相湍流的大涡模拟为例阐述化工装置中两相流数学模型的建立、边界条件的确定以及求解方法的选择。
湍流大涡数值模拟（LES）是有别于直接数值模拟和雷诺平均模拟的一种数值模拟手段。
利用次网格尺度模型模拟小尺度湍流运动对大尺度湍流运动的影响即直接数值模拟大尺度湍流运动，将N-S方程在一个小空间域内进行平均（或称之为滤波），以使从流场中去掉小尺度涡，导出大涡所满足的方程。
1 大涡模拟1.1 大涡模拟的基本思想湍流运动是由许多尺度不同的旋涡组成的。
那些大旋涡对于平均流动有比较明显的影响，而那些小旋涡通过非线性作用对大尺度运动产生影响。
大量的质量、热量、动量、能量交换是通过大涡实现的，而小涡的作用表现为耗散。
流场的形状，阻碍物的存在，对大旋涡有比较大的影响，使它具有更明显的各向异性。
小旋涡则不然，它们有更多的共性，更接近各向同性，因而较易于建立有普遍意义的模型。
基于上述物理基础，LES把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动量通过滤波分解成大尺度运动和小尺度运动两部分。
大尺度通过数值求解运动微分方程直接计算出来，小尺度运动对大尺度运动的影响在运动方程中表现为类似于雷诺应力一样的应力项，该应力称为亚格子雷诺应力，通过建立模型来模拟。
即实现大涡数值模拟，首先要把小尺度脉动过滤掉，然后再导出大尺度运动的控制方程和小尺度运动的封闭方程。
1.2 滤波函数大涡模拟首先要流动变量划分成大尺度量和小尺度量，这一过程称之为滤波。
滤波运算相当于在一定区间内按一定条件对函数进行加权平均，其目的是滤掉高波数而只保留低波数，截断波数的最大波长由滤波函数的特征尺度决定。
目前较为常用的滤波函数主要有以下三种：Deardorff 的盒式(BOX)滤波函数、富氏截断滤波函数和高斯(Gauss)滤波函数。
不可压常粘性系数的湍流运动控制方程为N-S 方程：j ij i j j i i x S x P x u u t u ∂⋅∂+∂∂-=∂∂+∂∂)2(1γρ式中：S 拉伸率张量，表达式为：2/)//(i j j i ij x u x u S ∂∂+∂∂=；γ分子粘性系数；ρ流体密度。
设将变量i u 分解为方程(11)中i u 和次网格变量(模化变量)'i u ，即'+=i i i u u u ，i u 可以采用Leonard 提出的算式表示为:（11）式中)(x x G '-称为过滤函数，显然G(x)满足1.3控制方程将过滤函数作用与N-S 方程的各项，得到过滤后的湍流控制方程组：由于无法同时求解出变量i u 和j i u u ，所以将j i u u 分解成i j i j ij u u u u τ=⋅+，ij τ即称为次网格剪切应力张量(亦称为亚格子应力)。
由此动量方程又可写成：⎰+∞∞-=1)(dx x G ()(2)1i j ij i j i j u u S u P t x x x γρ∂∂⋅∂∂+=-+∂∂∂∂()(2)1i j ij ij i j i j ju u S u P t x x x x τγρ∂⋅∂∂∂∂+=-+-∂∂∂∂∂x d x u x x G x u i i '''-=⎰+∞∞-)()()(式中ij τ代表了小涡对大涡的影响。
2 常用的亚格子模型目前，在大涡模拟中经常广泛采用的亚格子模型有标准的Smagorinsky 模型、动态涡粘性模型、动态混合模型、尺度相似模型、梯度模型、选择函数模型等。
其中Smagorinsky 模型被广泛应用。
2.1 亚格子涡粘和涡扩散模型不可压缩湍流的亚格子涡粘和涡扩散模型采用分子粘性和分子热扩散形式，即kk ij ij t ij S τδντ312+= it i x T ∂∂=θκ 以上公式中t ν和t κ分别称为亚格子涡粘系数和亚格子涡扩散系数；(1/2)[(/)(/)]i j i j j i S u x u x =⋅∂∂+∂∂是可接尺度的变形率张量。
式(14)第2项是为了满足不可压缩的连续方程，当ij S 收缩时(ij S =0)等式两边可以相等。
将亚格子应力的涡粘模型公式(14)代入到(13)式中，变形得)])([()3(ij i i t i kk i i i j i x u x u x p x x u u t u ∂∂+∂∂+∂∂++∂∂-=∂∂+∂∂νντρ 0=∂∂ix u i 2.2 Smagorinsky 模型Smagorinsky 模型是由Smagorinsky 于1963年提出来的，该模型是第一个亚格子模型。
广泛用于大涡模拟中的涡粘模型认为亚格子应力的表达式如下：式中(1/2)[(/)(/)]ij i j j i S u x u x =⋅∂∂+∂∂是可接尺度的变形率张量，T ν是涡粘系数。
1963年Smagorinsky 定义了涡粘系数：式中2/1)2(ij ij S S S =是变形率张量的大小，∆是过滤尺度，C S 无量纲参数，称为ij T kk ij ij S ντδτ231-=-S C S T 2)(∆=νSmagorinsky 系数。
2.3 动态亚格子模式1991年， Germano 提出了动态亚格子模式，该模式以Smagorinsky 模式为基本模型，但克服了Smagorinsky 模式的部分缺陷。
动力模型实际上是动态确定亚格子涡粘模型的系数。
动力模型需要对湍流场做两次过滤，一次是细过滤，细过滤后再做一次粗过滤。
通过在网格尺度和检验滤波器尺度条件下计算得到的应力差来确定应力模型系数，使模型系数成为空间和时间的函数，从而避免了在模拟过程中对系数进行调节。
因此比Smagorinsky 模式所采用的固定系数值更加合理。
2.4相似性模式1980 年Bardina 提出了尺度相似模式。
该模式假定从大尺度脉动到小尺度脉动的动量输运主要由大尺度脉动中的最小尺度脉动来产生，并且过滤后的最小尺度脉度速度和过滤掉的小尺度脉动速度相似。
通过二次过滤和相似性假定可以导出亚格子应力表达式。
采用这种模式能正确预测墙壁面附近的渐近特性，但预测各向不均匀的室内空气复杂流动准确性较差。
2.5 混合模式混合模式是将尺度相似模式和Smagorinsky 模式叠加来确定亚格子应力。
这种模式既有和实际亚格子应力良好的相关性，又有足够的湍动能耗散。
3 离心泵叶轮内高浓度固-液两相湍流的大涡模拟3.1旋转坐标系下的高浓度固—液两相湍流瞬时控制方程采均以叶轮的旋转轴为z 轴的旋转坐标系。
内于在旋转坐标系中存在离心和哥氏力，所以高浓度固—液两相湍流的瞬时控制方程应包含这两种力，并且为相对速度的N —s 控制方程。
在旋转坐标下固—液两相湍流的液相控制方程为：fk j jki fpci j fij fi f i fi fj f j fi fi f iu F x g x P u u x u u x f ωετρρρρρ2)(t 0)(t *f f -+∂∂++∂∂-=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂）（）（在旋转坐标下液固两相湍流的固相控制方程为：pk j jki ppci pfci j pij pi p i pi pj p j pi pi p iu F F x g x P u u x u u x p ωετρρρρρ2)(t 0)(t *p p -++∂∂++∂∂-=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂）（）（3.2 离心泵的试验参数日本九州工业大学工学部(TsWMoto，1999)通过试验手段研究了单级蜗壳式离心泵内固—液两相湍流．利用埋没在叶轮前盖板处的乐力传感器测量了叶轮内的乐力分布，利用ccD相机记录了颗粒的分布图像，通过处理颗粒轨迹获得了颗粒的速度分布。
日本九州工业大学工学部的试验叶轮几何及流动参数如表所示。
表离心泵的几何及流动参数流量（m3/min）叶片数叶轮出口直径（m）叶轮出口宽度（mm）叶轮比转速（rpm，m，m/min）0.52 3 0.26 20 146固相颗粒球由聚丙烯和沉淀硫酸钡制成，颗粒参数如下表所示。
表颗粒参数颗粒直径（mm）颗粒密度（kg/m3）颗粒体积浓度（%）2.0 1930 103.3 计算区域和网格计算中的泵尺寸和结构同试验泵完全相同。
由于叶轮流道的流动为周期性流动，所以只取其中一流道来研究其中的固液两相湍流流动。
同时，进出口取一定的延伸体来使叶轮流道的流动接近真实流动。
计算区域选择为叶轮一流道和进出口延伸体，计算所采用的网格为非均匀网格，在划分网格时考虑了流场中流速分布的一般规律，在流速梯度较大的区域内网格加密。
3.4 计算边界条件和数值方法3.4.1 液相边界条件进口边界条件：结定均匀来流条件。
出口边界条件：在出口断面上，通常对各速度分星的梯度取为零。
同时，为了保证在整个计算域上流动满足连续性条件．在出口处需根据进出口流量的差值对出口断面流速进行修正。
固壁边界条件：流体相闹壁条件采用了在同体表面上的无穿运、无滑移边界条件。
周期性条件：对于转轮进口延伸段和出口延伸段，结定周期性条件。
压力边界条件：压力沿壁边形L法线方向的导数为零，即第二类边界条件。
为防止压力数值解可能出现无限增大的趋势，可假设流场中某点压力为参考点．在每次这代中，对全流场各点的压力进行一次修正。
因为压力的绝对值没有太大意义，只有压力差是影响流场分布的动力。