固液两相管道流

§1.2 颗粒对流体特性的影响
二、颗粒紊动—流体紊动相互作用
碰撞作用和流体百度文库速梯度是影响颗粒紊动的两大原因； 密度小于流体的颗粒增强流体的紊动；密度大于流体的 颗粒抑制流体的紊动；随着粒径和浓度的增大，颗粒对 流体紊动性的作用愈来愈明显； 对于恒定、均匀、各向同性的紊动流场, 重颗粒的紊动强 度总是小于相应流体的紊动强度； 由于流速梯度的作用，管道边壁附近重颗粒紊动强度有 可能大于流体的紊动强度。

二、固液两相管道流固体颗粒流动规律特性
§1 颗粒运动轨迹规律
•§1.1水平管流颗粒运动轨迹规律 •§1.2垂直提升管流颗粒运动轨迹规律 •§1.3复杂管流颗粒运动轨迹规律
§2 颗粒速度、浓度分布
•§ 2.1水平管流颗粒速度、浓度分布 •§ 垂直提升管流颗粒速度、浓度分布 2.2
§1 颗粒运动轨迹规律
倾斜管流介于水平流与垂直 流之间两者之间，起动原理 属于两种机理组合： 紊动漩涡+滑移拖拽
F F F -F 0
d b g
FD
Fb
Fg
§3 固液两相管流理论模型
一、双流体模型（TFM）

对颗粒相而言是一种积分方法，将两相流看作是多相混 合物，对控制体内的各相建立平均的守恒方程。颗粒与 流体在宏观上占据相同空间，但各相具有不同的空间、 运动性质。颗粒相也引入了粘度和压力的概念。
二、（刘大有）：颗粒浓度的径 向分布主要取决于颗粒的径向 紊动强度分布(npūp2=常数) 力学解释：动量守恒
清华：垂直流颗粒浓度径向分布随流速与浓度变化规律定性总结
三、固液两相管道流阻力特性
§1 阻力能耗理论
§2 影响因素分析
•§2.1 •§2.2 •§2.3 •§2.4 颗粒特性 浆体特性 管道特性 其他

§2 颗粒分布规律
§2.1 水平流颗粒浓度速度垂线分布
浓度扩散方程： 悬浮颗粒由于紊动向上的 交换率与由于重力向下的 交换率处于平衡状态： EsdCV/dy+ Ω CV=0
Es：颗粒的质量交换系数； y：距底部边界的距离； Ω：为颗粒沉降速度
§2.2 垂直提升流颗粒浓度速度垂线分布 颗粒速度分布规律
§2 阻力特性影响因素

管径： im =f（D） 在一定的流速条件下，管道 阻力损失与管径成反比。

管壁粗糙度 ： im =f(Δ) 粗糙度↑，阻力损失↑ 。 Δ =f（d）

管道倾角对阻力的影响： im =f（θ） 对于倾斜管道,其阻力损失介于水平管与垂直管之间； 在向上倾斜管道中,角度对阻力损失的影响主要体现在固体 颗粒对管壁摩擦发生变化。随着管道倾斜角增加固体物料 与管壁间的摩擦作用会减弱,但与此同时,重力对阻力损失的 影响则会逐渐增强。总体上需要消耗更多能量,因此总阻力 损失一直增大。
二、离散颗粒模型（DPM）

对颗粒而言是一种微分方法。将流体视作连续介质，颗粒 视作离散介质，从微观上研究单个颗粒在流体中的受力情 况，颗粒对流体反作用力，以及颗粒与颗粒之间的相互作 用，可以准确获得每个颗粒的运动轨迹和速度变化过程。
§4 固液两相管道流研究进展概述

主要研究内容：颗粒在流体中运动规律、传输阻力特性以及 系统安全可靠性三方面。
§2 流动结构形式和基本原理
§3 固液两相管道流研究模型 §4 研究进展概述
§1流体—颗粒相互作用机制
§1.1 颗粒对流体运动的响应
一、颗粒在流体中的受力分析

Fb
基本力： FP 重力Fg 、浮力Fb、曳力/阻力FD FL 不稳定流场（相间相对加速度）： 附加质量力Fa 、Basset力Fba 非均匀流场（压强与速度梯度）： 压力梯度力FP、速度梯度力/升力FL 固体颗粒 （Magnus力FM 、Saffman力Fs ） 其他： 颗粒碰撞作用力、流体分子热泳力等
跟随性——流速： 输送速度越小，滑移速度 越大； 随着水流速度提高,滑移速 度逐渐减小。
滑移速度非负？ 当地浓度>输送浓度?
§1.2 颗粒对流体特性的影响
一、颗粒特性——浆体流变特性
细颗粒对粘度的影响大于粗颗粒 颗粒粒径、级配、体积比浓度与 浆体粘度的关系： —浓度较小时(<30%)，粘度基本 随浓度线性增大； —固相浓度增加到一定值后 (>40%) ,浆体粘度急剧增加，表 现出非牛顿流体特性
§1 阻力能量理论
总阻力 im=液相阻力if+位能损失ic+固相阻力 is
1. 2.
3.
流体与管壁摩阻损失if以及流体紊动能量损失 颗粒位能损失ic：非水平管中因物料提升引起的位能损 失以及因下降导致的能量增加） 颗粒运动能量耗散损失is：颗粒间以及颗粒与管壁非弹 性碰撞耗能
§2 阻力特性影响因素

§1.2 颗粒（群）垂直提升运动规律
颗粒群主要集中于管道的中心， 单颗粒竖直方向运动速度稳 定不变，水平方向周期运动， 由中心至管壁，颗粒浓度递减； 输送速度较小时，颗粒的运动相 颗粒螺旋式上升 对流体有一定的滞后，粗细颗粒 发生分选沉降现象。
§1.3 复杂管流中颗粒（群）运动规律
倾斜向上：悬移+推移，可发生与垂直管道相同的分选、滞 留现象。 倾斜向下：粗颗粒比细颗粒运动速度快，可发生与垂直管道 输送相反的分选。 弯曲管道：颗粒将和弯曲管道外侧壁发生碰撞，在一般情况 下，弯道曲率越大，碰撞越激烈。圆管转弯处颗粒有一定的 堆 积，并挤在弯管外侧 。
§1.1水平管流颗粒运动轨迹规律
细颗粒悬移质的运动规律取决于流体紊动：颗粒纵向紊动 强度最大，横向紊动强度次之，垂向紊动强度最小，变化 规律随粒径的减小而加大. 推移质运动规律（来自明渠研究文献）：与推移层的厚度 有关，厚度较薄时，颗粒的平均运动轨迹沿程抬升，有离 开底部进入悬移态的趋势；厚度较厚时，颗粒运动不能突 破厚度范围。
§2 阻力特性影响因素
速度： im =f（V）
a-b 段，流速较小，主要呈现 推移质状态，固液两相摩阻均 增长； b-c段，悬移质增加，固相摩 阻减小，液相摩阻增加，但总 的来说，此阶段的阻力随着流 速的增加而减小； c-d段，高流速，完全悬浮均 质流状态。固相摩阻趋于不变， 注：虚线所示伪一相流： 此阶段混合流的阻力特性曲线 粒径很细和浓度很高的浆 与清水阻力曲线逐渐接近。 体
§2.1固液两相管流流动结构
一、水平管流流态划分：

滚动推移、滑动推移和悬移 滚动推移
滑动推移
悬移 颗粒流态主要与粒径、流速、 浓度、管道形态等因素有关：

§2.1固液两相管流流动结构
二、不同形态管道流动结构
水平管道：以滑动推移为主要运动形式;完全悬移只
出现在细粒径（<0.2mm）、低浓度（3%）和高流 速条件下。 垂直上升管流：颗粒悬浮运动，不存在推移质，且 管道径向断面上颗粒流速浓度关于管轴对称分布； 倾斜上升管道：可当作水平与垂直流的组合情况， 以滑动推移和悬移为主要运动形式； 就悬移运动状态而言,倾斜角度越大,粗颗粒越容易形 成悬移。
固液两相管道流调研报告
2013-5-17
固液两相管道流调研报告
一、相关基本概念与研究进展概述 二、固液两相管道流颗粒流动规律特性 三、固液两相管道流阻力特性 四、固液两相管道流过流元件安全特性
一、相关基本概念与研究进展概述
§1 流体—颗粒相互作用机制
•§1.1 颗粒对流体运动的响应 •§1.2 颗粒对流体特性的影响 •§1.3 颗粒沉降速度与浮游速度

图：紊动强度随粒径的变化
§1.3 颗粒沉降速度与浮游速度

颗粒自由沉降/浮游机理：浮容重=拖拽力
（重力 浮力） 阻力 F Fg Fd Fb ma 0

FD
Fb
球形单颗粒静水自由沉降速度理论值
u0
4 d s g 3 C d
Fg

测量方法A（金文斌）：透明的倒圆台体
§1.3 颗粒沉降速度与浮游速度
浮游速度<沉降速度：
管道边壁效应导致非均匀流场： 悬浮颗粒通常位于管道中心位置， 此处流体流速大于管道平均流速
颗粒群浓度↑⇒沉速/浮游速度↓：

黏度↑⇒沉降阻力↑ 流体表观密度↑⇒浮力↑ 截面过流面积↓⇒局部滑移速度↑ 颗粒相碰撞干扰
§2 固液两相管道流基本原理与流动结构
1. 2. 3.
固体物料特性：粒径、密度、形状和粒度级配等因素 浆体特性：速度、浓度、粘性、温度、压力等因素 管道特性：管径、管壁粗糙度、倾角、管道运动

密度： im =f（Δρ）
固体颗粒密度越接近流体密度，越 易于形成均匀悬浮，管道阻力损失 也就越小。
颗粒形状 ： im =f （SF）
颗粒沉降速度越大，所需的 输送流速越大，阻力损失也 越大。和其它因素比较起来， 颗粒形状对浆体管道阻力损 失的影响是次一量级的。
颗粒轴向速度大小与粒径成反比，径向分布类似抛物线分布 颗粒的径向速度大小基本符合正态分布，径向速度/轴向速 度～0.01,径向分布呈现均匀分布。

颗粒浓度分布
一、（费祥俊）径向分布浓度扩散方程： 颗粒浓度分布是受浓度梯度和紊流强度梯度产生的两种扩 散势的作用相互平衡的结果。

颗粒浓度指数分布：
§2.2 固液两相管流颗粒起动原理
水平流颗粒起动机理 粗颗粒推移机理： 细颗粒悬移机理：紊动旋涡

一般来说, 旋涡向上分速必须 超过颗粒的沉速, 且旋涡尺寸 远大于固体颗粒。 粗细颗粒起动区别：是否需 要考虑颗粒间作用力。

非水平流颗粒起动机理
颗粒垂直提升起动原理：
水力提升速度>沉降速度
倾斜管流颗粒起动机理：
§2 阻力特性影响因素
粘度 ： im =f（Cd） 浓度： im =f（CV） 浓度↑⇒（1）浆体粘度↑；（2） 1. 浆体的粘度增大，从而阻 力损失增大； 支持颗粒悬浮的水流紊动能能 耗↑⇒管道阻力损失↑ 2. 粘度的变化可能改变浆体 的流变特性，使其具有非 牛顿流体的性质。

温度、压力：Cd =f （T，P） 温度、压力对管道阻力特 性的影响是通过影响粘度来 实现的。
§2 阻力特性影响因素
管道运动（水平横摇/纵向升沉）：im =f（A，ƒ） 管道运动将增大管道传输阻力，增大程度与运动的幅度与频 率成正比，且随着流速的增大影响趋小

§2 阻力特性影响因素
粒径级配： im =f （d95/dm） 中值粒径接近但颗粒分散程度和细颗粒所占百分数各不 相同时，组成不均匀性↑，阻力损失↓。


1.
2.
物理机理： 细颗粒间易形成絮网结构,降低粗颗粒的沉速，不易形成推 移质状态,降低固相阻力； 级配改变能增加浆体的极限浓度,降低浆体的黏度。
FD
Fg
§1.1 颗粒对流体运动的响应
二、悬浮颗粒对流体的跟随性
跟随性：颗粒流速 p 对流体流速矢量 f 响应程度（幅值 比与相位差） 滑移速度：流体时均流速—颗粒时均流速 f p




跟随性——颗粒粒径、密度 密度接近于流体的颗粒对流体运动具有良好的跟随性； 颗粒密度与流体密度的差别愈大,且粒径愈大, 跟随性愈差。
对于颗粒运动规律的研究内容主要包括微观意义上的颗粒运 动轨迹以及宏观意义上的颗粒相速度浓度在管道轴向与径向 的分布状况等（清华水利系、长沙矿冶研究院+民族大学）；
1.
2.
3.
关于传输阻力特性的研究内容主要包括对各种管道形态下传 输阻力机理的理论研究以及结合相关试验得到阻力的半经验 半理论计算公式，并考察实现安全与经济条件下的最佳传输 速度与浓度等（清华水利系、长沙矿冶研究院+民族大学、 河海大学、早期加拿大、前苏联）； 关于管道系统安全可靠性的研究内容主要包括水击现象（清 华水利系、郑州大学）；输流管道系统的振动特性（哈工大 王世忠），包括中低速传输状态下避免共振问题以及高速传 输时的管道失稳问题；管道堵塞的临界条件与再启动方法等 （民族大学）。
固液两相管道流研究的主要研究手段
主要研究手段：实验测量+数值模拟+理论分析；
关于实验与测量方法：采用高速摄影以及图像处理的 方式观察颗粒相的运动规律；通过多普勒测速仪等测 量流速以及压力等数据；模拟各种弯管以及管道在横 摇与升沉运动等复杂状态下的阻力特性 关于数值模拟：根据改进的BBo方程跟踪颗粒运动以 及根据流体压力场迭代计算流体速度场，实现对流动 规律的动画模拟（清华程序） 理论分析主要表现在：结合根据实验数据，引入各种 影响因素影响的无量纲因子，采用量纲分析的方法得 到阻力特性以及临界速度的半理论半经验公式