多相流动的基本理论
流体力学中的流体中的多相流动
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流体力学中的流体中的多相流动流体力学作为一门研究流体力学的学科,涉及到包括气体、液体和固体在内的流体的运动和力学性质。
当涉及到多相流动时,即两种或多种不同相态的物质同时存在和相互作用的流动情况,我们需要使用多相流动理论来描述和分析这些复杂的现象。
多相流动在许多工程和科学领域中都有重要的应用,比如能源行业中的油气输送、核工程中的冷却剂循环以及环境科学中的水和空气污染物传输等。
理解和掌握多相流动的行为和特性对于解决现实生产和环保问题具有重要意义。
多相流动可以分为离散相和连续相两种基本模型。
在离散相模型中,每种相态的物质被视为单个微粒或泡沫,并且它们之间存在相互作用力。
离散相模型常用于描述颗粒流、气泡流和液滴流等。
而在连续相模型中,多种相态的物质被看作是连续分布的介质,相互作用力通过宏观平均值来表示。
连续相模型常用于描述气体-液体流动、液体-液体流动和液体-固体流动等。
在多相流动的研究中,常常需要考虑相态间的传质和传热现象。
传质是指物质在不同相态之间的扩散和迁移,传热是指能量在不同相态物质之间的传递和转换。
在这些过程中,表面张力、粘度、热传导和质量传递等因素起着重要作用。
为了准确地描述和模拟多相流动中的物理现象,我们需要建立相应的数学模型和物理方程组,并运用数值方法进行求解。
多相流动的研究涉及到许多复杂的数学和物理理论,如流体力学、传热学、传质学和相变研究等。
在实际工程应用中,我们需要根据具体问题的特点和要求选择合适的多相流动模型,并进行相应的数值模拟和实验验证。
只有通过不断地研究和实践,我们才能在多相流动领域取得更加准确和有效的理论和方法。
总结而言,流体力学中的多相流动是一个复杂而又具有广泛应用的研究领域。
通过深入研究多相流动的特性和行为,我们可以更好地理解和掌握实际工程和科学问题中的流体行为。
我们需要建立适当的数学模型和物理方程组,并借助数值模拟和实验验证方法,为解决现实问题提供有力支持和指导。
通过持续努力和创新,我们相信在多相流动领域的研究会取得更加重要和有意义的成果。
多相流动的物理学原理
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多相流动的物理学原理多相流动是一种涉及到两种或更多不同物质相互作用的物理现象,例如气体和液体、液体和固体等。
在复杂的多相流动现象中,物理过程是非常多样,以至于这些过程经常非常难以预测和模拟。
因此,多相流动涉及到多种物理学原理,其中包括分子流体力学、传热、传质、相变、乳化、与界面作用等。
分子流体力学在多相流动的系统中,分子的流动非常重要。
分子流体力学是研究分子在多相流中运动的学问。
它提供了描述流体的一般数学框架,并采用各种偏微分方程建立该流体的数学模型。
这些数学模型可用于预测多相流动的速度、温度、密度和压力等,然而,这些模型建立在一定控制方程与确定的物理机制的基础之上。
因此,分子流体力学都应该用来描述不同类型的多相流动问题,例如气体和液体、带电颗粒和气体或液体等。
其中,颗粒和介质之间的物理相互作用是该领域主要的研究内容。
传热在多相流动中,传热是一种重要的能量传递方式。
在热力学热机中,只考虑单相(气体或液体)流动中的传热,且往往满足强迫传热条件。
但是,在多相流动中,由于存在不同相之间的传热机制,因此传热分布非常不均匀,且往往是被动传热条件。
例如,沸腾和蒸发是多相流动中最常见的两种被动传热状态。
在沸腾中,热量被转移至液态和气态之间,以产生蒸汽和汽泡并生成分泡蒸汽。
而在蒸发中,热量被转移至液体和气体之间,以产生气态,液态就不复存在了。
传质在多相流动中,传质是一种重要的物质传递现象。
传质是指不同相之间物质的扩散、迁移和交换过程。
在很多实际问题中,不仅需要预测多相流动中液态、气态中的传质,还需要考虑颗粒与介质之间的传质。
例如,在剖面显示的粉尘输送管中,人们需要预测粉尘和气态颗粒的运动和分散,以及它们在截面的分配情况。
这就需要从多相流动的传质方面进行考虑和流体力学模拟。
相变在多相流动中,相变是一种重要的物理现象,它涉及到不同相之间的转换和状态变化。
其中,最常见的相变是液态向气态的转变(蒸发)。
在多相流动中,在气液相变点,介质将被带到气态或液态,其环境条件符合饱和条件。
多相流体运动规律
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多相流体运动规律引言多相流体是指由两个或两个以上相态的物质混合而成的流体,包括气液两相流、气固两相流、液固两相流等。
多相流体的运动规律是研究多相流体流动行为的基础,对于工程领域中的石油勘探开发、化工过程、环境工程等都具有重要的意义。
本文将介绍多相流体的运动规律,并重点讨论几种常见的多相流体运动模型。
多相流体运动方程多相流体的运动可以通过运动方程来描述,常见的多相流体运动方程有欧拉方程和拉格朗日方程两种。
欧拉方程是基于连续介质假设的,将多相流体视为连续介质,通过对质量守恒、动量守恒和能量守恒等定律的应用得到。
拉格朗日方程则是基于微观粒子的运动轨迹,将每个粒子的位置和速度作为变量,通过粒子的运动方程来描述多相流体的运动行为。
多相流体欧拉方程多相流体的欧拉方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程质量守恒方程描述了多相流体中各相的质量守恒关系。
假设多相流体由N个相组成,每个相的质量分数分别为αi,相速度分别为u i,则质量守恒方程可以写作:$$ \\frac{{∂(α_i ρ_i)}}{∂t} + ∇·(α_i ρ_i u_i) = 0 $$其中,ρi为相i的密度。
动量守恒方程动量守恒方程描述了多相流体中各相的动量守恒关系。
假设多相流体中每个相受到的总压力为p i,总应力张量为τi,引入相间压力p ij=−p j+p i和相间摩擦力τij=τj−τi,则动量守恒方程可以写作:$$ \\frac{{∂(α_i ρ_i u_i)}}{∂t} + ∇·(α_i ρ_i u_i u_i) = -∇p_i + ∇·τ_i + ∑_{j≠i}∇·(α_iρ_i u_i u_i p_{ij}) + ∑_{j≠i}[(α_i ρ_i u_i u_{ij})⋅n_{ij}]A_{ij} + \\sum_{j≠i} G_j $$其中,u ij=u i−u j,n ij为相间分界面的单位法向量,A ij为相间分界面的面积,G j为体积力项。
多相流动的基本理论和应用
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多相流动的基本理论和应用多相流动是指在一个物体内部,同时存在两种或以上的不同的相态,例如固体、液体和气体之间的流动。
在化工、制药、能源和环保等领域,多相流动已成为研究领域广泛的热点问题之一。
本文将探讨多相流动的基本理论和应用。
多相流动的基本理论多相流动的复杂性在于其流体力学涉及到多种相态,其物理特性不同、抗转化能力不同,且互相作用产生的力和能量也不同。
多相流动需要进行流体理论和相界面上的物理化学研究。
在多相流动的实际工程应用领域,流体多次接触,产生的强烈的相互影响使流动现象更加复杂和难以研究。
多相流动的基本理论主要包括:基本方程、平衡关系、运动规律、相互作用及其表现方式等几个主要方面。
基本方程为了描述多相流动这种高度复杂的现象,我们需要建立一组复杂的方程体系。
多相流动的基本方程包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。
其中在动量守恒方程中包括相互作用力的项,反映了各相态之间的力学相互作用及其对流体流动的影响。
平衡关系相平衡是多相流动的基本特征之一。
相平衡包括物质的转移和相变两方面,是多相系统的基本特质,其决定了多相系统的态势演变过程。
此外,在相连通体系中,应考虑不同相之间的两端平衡问题和梯度影响等情况。
运动规律多相流动的运动规律与单相流动有区别。
由于液体和气体的运动状态存在不同,因此要分别分析运动学规律、力学规律和相互作用现象。
在液体颗粒和气体分子之间的相互作用中,较复杂的是液纳米粒子和气溶胶的运动规律。
相互作用及其表现方式相互作用是多相流动的重要表现形式。
它是液相颗粒、气相分子与固体表面、密集颗粒粒子通过激发和传递等力的相互影响。
在多相流动中,液相颗粒间经常互相接触和碰撞,与气体分子作用产生碰撞冲击。
另外,在多相流动中,悬浮物质的分散状态对流体的影响也是非常重要的。
多相流动的应用多相流动已广泛应用于化工、制药、能源和环保等领域。
下面列举一些具体的应用。
化学工业化学工业中,多相流动的应用非常广泛。
多相流动的基本理论
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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
s
s
d
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g
0
(1
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T
)
1 2
固相的体积粘度
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4 3
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多相流动的基础知识和数值模拟方法
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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。
多相流动的物理学原理和应用
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多相流动的物理学原理和应用摘要多相流动是指在同一空间内同时存在两种或两种以上的不同物质相,或者是同一物质在不同的状态下出现的流动现象。
本文将介绍多相流动的基本物理学原理,包括不同相之间的作用力、相互作用力的影响因素、多相流动的分类等。
同时,本文还将阐述多相流动在工业生产、环境保护、能源开发等领域的应用,并举例说明其重要性。
关键词:多相流动,物理学原理,应用一、多相流动的基本物理学原理1.不同相之间的作用力不同相之间的作用力包括表面张力、静电力、重力、惯性力、阻力等。
其中,表面张力是由于表面分子间的相互作用力引起的,而静电力则是由于电荷分布的不均匀性导致的。
重力和惯性力则是由于物质本身的质量和速度引起的,而阻力则是由于流体在相互摩擦中产生的。
2.相互作用力的影响因素相互作用力的大小和性质受到多种因素的影响,其中包括流体的性质、物体表面的形态、相之间的接触角度、相之间的速度差等。
在多相流动中,相互作用力的大小和性质对流体的运动状态和相的分布情况都有很大的影响。
3.多相流动的分类多相流动根据不同相之间的分布情况和相互作用方式可以分为气液两相流动、固液两相流动、气固两相流动和三相流动等。
其中,气液两相流动是最常见的一种多相流动现象,包括气泡、液滴、雾霾等。
二、多相流动的应用工业生产多相流动在工业生产中有着广泛的应用,例如石油开采中的油气水三相流动、化学反应过程中的固液两相流动等。
多相流动的特性可以帮助优化工业生产流程、提高生产效率、降低成本、提高产品质量等。
环境保护多相流动在环境保护中也有重要的应用,例如水处理中的气液两相流动、大气污染控制中的气固两相流动等。
多相流动的特性可以帮助控制环境污染、减少能源消耗和减少废弃物的排放等。
能源开发多相流动在能源开发中也有着广泛的应用,例如油气田开发中的油气水三相流动、核能反应堆中的冷却剂循环流动等。
多相流动的特性可以帮助提高能源开发效率、减少成本、提高安全性等。
三、案例分析油气水三相流动油气水三相流动是石油开采过程中常见的现象。
多相流体流动中的冲蚀现象分析
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多相流体流动中的冲蚀现象分析引言多相流体流动中的冲蚀现象是工程领域中的一个重要问题。
冲蚀现象的发生会对流体流动的稳定性和工程设备的寿命产生不利影响。
因此,研究多相流体流动中的冲蚀现象具有重要的理论和实际意义。
本文将对多相流体流动中的冲蚀现象进行分析和探讨,以期提供有关冲蚀问题的科学理论支撑和工程实践指导。
一、多相流体流动的基本原理多相流体流动是指在同一空间中存在两种或两种以上的物质同时流动的现象。
根据不同的物理特性和流动规律,多相流可以分为气固、气液、液固等不同组合。
对于不同的多相流体系统,其流动行为和冲蚀特性会有所不同。
因此,在研究多相流体流动中的冲蚀现象时,需要首先理解多相流体流动的基本原理。
多相流体流动中的冲蚀现象通常是由高速流动流体对固体表面的撞击和摩擦引起的。
冲蚀过程中,流体中的固体颗粒被冲刷、侵蚀和破坏,最终导致固体表面的损坏和磨损。
冲蚀现象的发生取决于多种因素,包括流体性质、流速、固体表面的特性等。
因此,研究多相流体流动中的冲蚀现象需要综合考虑多个因素的影响。
二、多相流体流动中的冲蚀机理多相流体流动中的冲蚀机理是冲蚀研究的核心问题。
冲蚀机理的研究可以帮助我们深入理解冲蚀现象的发生和演化过程,为冲蚀问题的预测和控制提供理论依据。
冲蚀机理主要包括两个方面:液固冲蚀和气固冲蚀。
液固冲蚀是指在液相流动中,液体撞击固体表面造成的冲蚀现象。
而气固冲蚀是指在气相流动中,固体颗粒与气体流动的相互作用引起的冲蚀现象。
液固冲蚀和气固冲蚀的机制有一定的相似性,但也存在一些差异。
在液固冲蚀中,流体的流速和固体表面的材料性质是冲蚀机理的主要影响因素。
流体的高速冲击会导致固体表面的局部破坏和脱落,进而引起冲蚀现象。
固体表面的材料性质对冲蚀机理也具有重要影响。
例如,硬度大、表面粗糙的材料更容易发生冲蚀。
在气固冲蚀中,气体流动的速度和颗粒的性质是冲蚀机理的重要因素。
气体的高速流动会导致气固两相之间的摩擦和碰撞,进而引起冲蚀现象。
5.4多相流模型5.5分散相模型2
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4 α p ρppVol α p ρ ppVol 2t n 1 n 1 n 1 n 1 Anb nb p SU Sp p
n 1 n
3 α p ρppVol
n 1
(5.383)
将上式重写为
App Anbnb S
(2) 体积分数方程
a. 体积分数方程 通过求解一相或多相体积分数的连续性方程,可以追踪各相之间的界面。第 q 相体 积分数的连续性方程为
n 1 pq m qp (5.385) α ρ α ρ v S m q q q q q α q ρq t p 1 qp 为从相q向相p的传质; m pq 为从相 其中,ρq为第q相的物理密度;vq 为第q相的速度; m
在 VOF 模型中,各相流体共享一个方程组,每一相的体积分数在整个计算域内被追踪。 适用 VOF 模型的多相流应用包括分层流、有自由表面流动、液体灌注、容器内液体振 荡、液体中大气泡运动、堰流、喷注破碎的预测和气 - 液界面的稳态与瞬态追踪等。
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沈阳航空工业学院
(2) 混合模型
混合模型的相可以是流体或颗粒,并被看作互相穿插的连续统一体。混合模型求解 混合物动量方程,以设定的相对速度描述弥散相。适用混合模型的应用包括低载粉率的 带粉气流、含气泡流、沉降过程和旋风分离器等。混合模型还可以用于模拟无相对速度 的匀质弥散多相流。
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沈阳航空工业学院
则有下列 3 中可能:
αq = 0:单元中没有第q相流体。 αq = 1:单元中充满第q相流体。 0 < αq < 1:单元中有第q相流体与其它一相或多相流体间的界面。
根据局部αq值,计算域内每一控制容积被赋予适当的物性和变量值。
流体的多相流动和多相传热
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流体的多相流动和多相传热多相流动和多相传热是流体力学和传热学中的重要研究领域,涉及到两种或多种不同相态的流体在相互作用中的行为及其传热特性。
在工程和科学领域中,多相流动和多相传热的研究对于理解和解决现实生活中的许多问题具有重要意义。
一、多相流动的基本概念多相流动是指在同一空间内同时存在着两种或多种不同相态的流体。
常见的多相流动包括气固、液固和气液两相流动。
在多相流动中,流体与固体或另一种流体之间通过界面相互作用并产生各种现象。
多相流动的特点包括相态转换、相分离、相互作用等。
1. 相态转换相态转换是指流体在不同条件下从一种相态转变为另一种相态的过程。
例如,水从液态转变为气态的过程称为蒸发,气体从气态转变为液态的过程称为冷凝。
相态转换会伴随着能量的吸收或释放,对多相流动和多相传热的研究具有重要影响。
2. 相分离相分离是指在两种或多种相态的流体中,不同相态的物质会产生分离现象。
例如,在液固两相流动中,固体颗粒可能会沉积在底部形成固体堆积。
相分离现象对于流体力学和传热学的研究与应用非常重要。
3. 相互作用相互作用是指在多相流动中不同相态的流体之间通过界面相互作用产生的现象。
例如,在两种相态的气体流动中,气泡的生成和破裂是气液两相流动的典型现象。
相互作用对于多相流动的传热特性具有重要影响。
二、多相流动的数学模型多相流动的数学模型在流体力学和传热学的研究中起着重要作用,它描述了不同相态的流体在空间和时间上的分布及其相互作用规律。
常见的多相流动模型包括欧拉模型、拉格朗日模型和欧拉-拉格朗日混合模型。
1. 欧拉模型欧拉模型假设流体处于连续介质的状态,将流体视为宏观量的集合。
欧拉模型通过质量、动量和能量守恒方程来描述流体的运动及其与固体界面的相互作用。
欧拉模型在多相流动的研究和工程应用中被广泛采用。
2. 拉格朗日模型拉格朗日模型将流体视为由大量微观粒子组成的离散系统。
拉格朗日模型通过分析流体粒子的运动轨迹和相互作用来描述流体的运动规律。
多相流体力学
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多相流体力学多相流体力学是研究在相互作用下同时存在的两种或多种不同相的流体行为的学科。
它在广泛的工程领域中都有重要的应用,如化工、石油、能源等。
本文将介绍多相流体力学的基本概念、数学模型以及应用领域。
一、多相流体力学的基本概念多相流体力学研究的对象是系统中同时存在的两种或多种不同相的流体,其中最常见的是气体与液体的组合。
多相流体力学主要关注相的分布、相界面的运动以及相互之间的相互作用。
不同相之间的作用力包括重力、表面张力、粘性力等。
二、多相流体力学的数学模型多相流体力学的数学模型是描述相互作用的方程组。
其中最常用的模型是两流体模型和多流体模型。
两流体模型将两种相分别作为连续介质来处理,通过接触角和剪切率等参数来描述相界面的运动。
多流体模型则将每种相都视为一个单独的流体,通过物理量的守恒方程来描述不同相的行为。
三、多相流体力学的应用领域1. 化工工程:多相流体力学在化工领域中广泛应用于反应器设计、管道输送等方面。
研究两相流动的特性能够帮助工程师优化设备设计,提高生产效率。
2. 石油工程:在油藏开发与生产过程中,多相流体力学研究的是油、水、气等相的流动行为。
通过对多相流体力学的研究,可以更好地理解油藏中各相的运动规律,提高油井的开采率。
3. 能源领域:多相流体力学在核能、燃烧等能源领域的应用非常重要。
通过对多相流动的研究,可以更好地理解复杂的能源转化过程,提高能源利用效率。
总结:多相流体力学是研究在相互作用下同时存在的两种或多种不同相的流体行为的学科。
它的数学模型包括两流体模型和多流体模型,应用广泛于化工、石油、能源等领域。
多相流体力学的研究有助于优化设备设计、提高生产效率,并且对于油井开采和能源转化等方面具有重要意义。
通过不断深入研究和应用多相流体力学,我们能够更好地理解和掌握多相流体的行为规律,为工程实践提供可靠的理论基础。
多相流动的流动机理及其数值模拟
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多相流动的流动机理及其数值模拟多相流动是指在同一空间内流动的不同相的流动现象。
其中的不同相可以是气体、液体、固体颗粒、液-气界面等。
多相流动广泛应用于化工、能源、环保、航空等领域。
多相流的流动机理及其数值模拟一直是该领域中一个重要研究方向。
多相流动的流动机理是多方面的,它包括相互作用、相接触、相之间的质量传递和能量传递等方面。
相互作用包括相对速度的差异、颗粒之间的碰撞与弹性变形等。
相接触涉及到各种相之间的跨界面传递物理量的问题,包括物质的质量、能量和动量。
相互质量传递是指流动中不同相之间的物质交换过程,它们之间的质量传递会导致质量浓度的变化。
相互能量传递指的是热传递,它是在多相流中恒定的热量。
多相流动的流动机理十分复杂,需要综合考虑不同领域的基础理论。
多相流动的数值模拟是该领域研究的重要方法。
它可以通过计算机模拟来分析不同相之间的相互作用。
数值模拟使用的模型包括欧拉-拉格朗日计算、欧拉-欧拉计算等。
其中,欧拉-拉格朗日计算是最常用的一种方法。
在欧拉-拉格朗日计算中,液相和气相都可以用不同的欧拉方程求解。
尽管这种方法可以解决许多多相流动问题,但在处理涉及到多相互作用和相互传质的问题时,往往需要使用更为复杂的方法。
多相流动的数值模拟依赖于用于解决流体动力学方程组的计算流体力学(CFD)方法。
CFD能够数值求解流体动力学问题,所以该方法可以广泛应用于多相流动。
使用CFD方法可以将连续介质区域分成许多小单元,并利用有限差分或有限元法对模型进行分析。
在各相中,不同的流动方程和相互作用模型被考虑在内,以一种迭代的方式求解完整的流动方程。
初级的模拟将考虑流体中颗粒物质的运动方程,如果涉及到多种物质,那么就需要处理多组物质的连续性及其之间的相互作用。
此外,由于其非线性,一般情况下,需要使用特殊的计算方法或算法来解决问题。
大多数多相流动的CFD算法包括基于干涉法的粒子跟踪技术、基于雷诺平均NS方程的Euler-Euler方法、基于DSL-wall能量平衡技术的针像法以及基于蒙特卡罗方法来模拟气体流动和颗粒流化的离散元素法。
多相流动的基本理论
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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分间的关系. 多相流体动力学
多相流体动力学
模型小结
•各种不同的气固两相流动模型,从不同的角度对 真实的气固两相流动过程做了近似和简化,因而具 有不同的适用范围。 •对稀疏多相流动中固体颗粒,液体颗粒以及气泡 运动的计算方法,Loth[159]做过较为详细的介绍和 分类。一般情况下可通过判断颗粒相对浓度和相间 滑移量的大小来选择合适的模型。
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。
多相流体动力学
双流体模型
• 气相牛顿粘性应力方程
g
ij
g j 1 gi 1 gk 2 g g ( ( ) ) 2 x j xi 3 xk
固相的应力张量
流体力学中的多相流问题
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流体力学中的多相流问题多相流指的是在同一空间内同时存在两种或更多相态的流体混合体。
在流体力学中,多相流问题是一个重要的研究领域,涉及到气液、固体液体等多种物质相态的相互作用和流动特性。
本文将探讨多相流问题在流体力学中的应用和研究进展。
一、多相流的基本概念在理解多相流问题之前,我们需要先了解一些关键的概念。
多相流系统由连续相和分散相组成,其中连续相是指占据整个流动区域的相,分散相是指以液滴、气泡、颗粒等形式存在于连续相中的相。
多相流的性质和行为往往由分散相的运动、交互以及与连续相的相互作用决定。
二、多相流的分类多相流可根据不同的特征进行分类。
常见的分类方法包括根据相态组合、分散相运动形式和流体流动性质等。
1.根据相态组合分类根据不同的相态组合,多相流可以分为气液两相流、固体液两相流、多气泡流、多液滴流等。
其中最常见的是气液两相流,如气泡在液体中的运动。
2.根据分散相运动形式分类分散相的运动形式也是多相流分类的重要标准。
常见的运动形式包括颗粒床流动、气泡上升、液滴飞溅等。
3.根据流体流动性质分类流体流动性质对于多相流问题的研究也具有重要意义。
多相流可以分为层流、湍流等不同流动状态,其中湍流多相流较为复杂,经常出现相之间的湍流剪切现象。
三、多相流的数学模型解决多相流问题需要建立适当的数学模型。
常用的数学模型包括欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法。
1.欧拉-拉格朗日方法欧拉-拉格朗日方法将连续相和分散相分别看作两个独立的相,建立各自的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
该方法适用于分散相浓度较低的情况。
2.欧拉-欧拉方法欧拉-欧拉方法将连续相和分散相视为大小不同的两个均匀相,建立各自的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
该方法适用于分散相浓度较高的情况。
四、多相流问题的应用多相流问题在工程和科学研究中有广泛的应用。
以下是多相流问题的几个典型应用:1.石油工程领域在石油开采过程中,多相流问题非常普遍。
包括油气的相互作用、抽采过程中的气液两相流、油井压力和流量的分析等。
5-计算力学-2011-12-3-1(第6章)
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30
3. 多维内弹道两相流方程组 自学内容。 自学内容。 作业: 作业:试推导二维内弹道两相流模型的气相与固相的连续方程 与动量方程。 与动量方程。
31
5
④火药燃烧的假设 1) 火热颗粒的燃烧满足火药燃烧定律的假设和燃速定律 的假设。 的假设。 火药燃烧产物的组份保持不变, 2) 火药燃烧产物的组份保持不变,火药气体的热力学参 数,如火药力、余容及比热比均保持不变。 如火药力、余容及比热比均保持不变。 3) 固体药粒不可压缩,即火药的物理密度为常数。 固体药粒不可压缩,即火药的物理密度为常数。 ⑤其它假设 对于阻力、热传导及化学反应等微观过程, 对于阻力、热传导及化学反应等微观过程,假设作为两 相当地平均状态的函数,并用经验方法处理。 相当地平均状态的函数,并用经验方法处理。
①连续方程
气相: 气相:
固相: 固相: 其中: 其中:
21
②动量方程
气相: 气相:
固相: 固相:
其中: 其中:
22
③能量方程
气相: 气相:
其中: 其中:
23
24
(5)辅助方程 ①相间阻力
25
②相间热交换
26
③状态方程
27
④火药燃速定律
⑤火药的形状函数
28
⑥颗粒间应力
29
⑦火药表面温度
7
②密度: 密度:
8
③速度: 速度:
9
④压力: 压力:
10
⑤温度: 温度:
11
(3)一维两相流内弹道基本方程推导 根据前面的讨论,在建立内弹道两相流方程时, 根据前面的讨论,在建立内弹道两相流方程时,我们将遵 循如下的规定: 循如下的规定: 气相-固相分别给出方程,而不采用混合的方法; 1) 气相-固相分别给出方程,而不采用混合的方法; 2) 两相之间的相互作用通过其相间作用耦合联系在一起,包括: 两相之间的相互作用通过其相间作用耦合联系在一起,包括: 作用力、传热、质量交换及质量交换伴随的能量交换等; 作用力、传热、质量交换及质量交换伴随的能量交换等; 每一相都作为连续介质; 3) 每一相都作为连续介质; 固相颗粒比气相分子大得多。 4) 固相颗粒比气相分子大得多。
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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
k 非线性
模型
双方湍程流模模型式理论以Reynol多d尺s度时均运k模型 动方Leabharlann 和脉动运动方程R为NG基础k ,模型
湍流流场涡结构图
大尺度涡
小尺度涡
湍流旋涡结构包括大尺度涡和小尺度涡
湍流大涡模拟简
介
大尺度涡 流 场
小尺度涡
决流高定场度湍质各流量向流、异场能性的量,无基的法本主建形要立态携统和带一性者模质;型;。 由流近大场似涡能各非量向线的同性主性作要,可用耗以产散考生者虑;;建立统一模型。
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。
拟流体模型现状
Simonin[6]则运用流体涡团的Lagrangian模型来构造颗粒轨道上的流体 涡团Lagrangian方程,从而得到了颗粒相的连续、动量和Reynolds应 力方程。
周力行教授等采用了二阶矩封闭的思路来封闭PDF输运方程中湍流与颗 粒的相间作用项,将颗粒相的PDF模型与流体运动的各类模型相结合, 提出了k—ε—PDF模型[7]和FDSM—PDF模型[8]。
拟流体模型现状
概率密度函数(PDF)方法被引用于构造双流体模型的两相湍流模型。Reeks[4] 从稳态流场中的颗粒运动方程出发,得到了颗粒相的PDF输运方程,同时还用 PDF方法研究了近壁区颗粒的运动和自然边界条件的处理,克服了一般双流体 模型难以描述的颗粒在壁面沉降、反弹过程的缺陷。
Zaichik等[5]用Rurutsu-Novikov定理和泛函分析的方法,实现了采用PDF方法 对流体湍流和颗粒相的模拟。
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。
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;
湍流直接模拟(DNS)简介
计不算用机任发何展湍流模型,直接出Pe数现taf大值lop型s求(并解1行01计完5)算整级机 的三维非定常的N-S方程组;
数计值算算包法括发脉展动运动在内的湍有限流差所分有小瞬波时变换 流动量在三维流场中的时间谱方演法变; 自适应网格
有限元 并行计算技术
方程本身是精确的,不含任何认为假设 直接和模经拟验常(数DN,S仅) 有的误差只是由数值方 技术法的引应入用的误差 。
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
特征时间
流动时间(停留时间):
f L /
扩散驰豫时间:
r
d
2 p
p
/ 18
平均运动驰豫时间:
r1 r (1 Re2p/3/ 6)1
流体脉动时间:
T l / u k /
颗粒间碰撞时间:
p l p / up (c nprp2 )1 up 1
(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。
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;
有
坐标系 拉格朗日 拉格朗日
小滑移模型 连续介质
无滑移模型 连续介质
拟流体(多流 连续介质 体)模型
不考虑 部分考虑 全部考虑
有 (滑移=扩散)
欧拉
无(动力学平衡, 欧拉 热力学平衡或冻 结)
有
欧拉
颗粒相输运性 质
无,扩散冻结
无(确定轨 道);有(随 机轨道模型) 有 (扩散=滑移)
有 (扩散平衡)
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)
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
相间滑移
单颗粒动力学 离散体系 不考虑
有
模型
颗粒轨道模型 离散体系 考虑
r1 / f 1
r1 / f 1
r /T 1
r /T 1
r1 / p 1
r1 / p 1
无滑移流(平衡流) 强滑移流(冻结流) 扩散——冻结流 扩散——平衡流 稀疏悬浮流 稠密悬浮流
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
• 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
滑移-扩散的颗粒群模型