多相流技术的发展现状.docVIP

多相流技术的发展现状 物质一般可分为气体、液体和固体三种相态。气体和液体不能承受拉力和切力，没有一定的形状，具有流动性，因此统称为流体。在流体中如有固体颗粒存在，则当流体速度相当高时，这种固体颗粒就具有与一般流体相类似的性质而可看作拟流体。这样，在一定的条件下，就可以处理气体、液体、固体三种相态的流动问题。经典流体力学所处理的只是一种相态的均质流体，即气体或液体的流动问题。但是在许多工程问题以及自然界的流动中，必须处理许多不同相态的物质混合流动的问题。通常把这种流动体系称为多相体系，称相应的流动为多相流。最普通的多相流由两个相组成，称为二相流。不同相态物质的物性有很大的差别，通常根据物质的相态，把二相流分为气液二相流，气固二相流，液固二相流等。 气液二相流在核电站反应堆及蒸汽发生器、火力发电厂锅炉、汽轮机及凝汽器、炼油厂分馏塔中蒸发和凝结过程以及在化工、天然气液化、海水淡化及制冷系统中的蒸发器、重沸器、冷凝器等方面均有广泛的应用。在内燃机和燃油炉的液体燃料燃烧过程中也很重要。近20多年来随着原子能电站的建立、高温高压火电机组的出现以及大型石油化工企业的建设，气液二相流及其传热性能在设备设计与安全运行中显得越来越重要。气固二相流在煤粉燃烧、气力输送与分离、流化床燃烧及反应器、除尘器以及在最近发展的煤的液化和气化技术中十分重要。火箭发动机排气中固体微粒的运动以及地球物理和天体物理中的尘埃流动也都涉及固体微粒的流动。液固二相流在水利工程中泥沙的沉积、化学工程中流化床反应器、液体的渗流及泥浆流动等方面均很重要。总之，多相流是一门在许多工程领域中有广泛应用的重要学科，在最近20多年中得到了迅速的发展，国际学术活动也相应增加。 多相流体力学研究的根本出发点是建立多相流模型和基本方程组。在此基础上分析各相的压强、速度、温度、表观密度和体积分数、气泡或颗粒尺寸分布、相间相互作用（如气泡或颗粒的阻力与传热传质）、颗粒湍流扩散、流型、压力降（两相流通过管道时引起的压差）、截面含气率、流动稳定性、流动的临界态等。描述多相流体可用不同的模型 。对各相尺寸均较大（与流动的几何尺寸相比）的体系，可对各相内部分别运用单相流体力学模型写出各自的基本方程组。若分散相的尺寸不太大，一般用体积平均概念，即认为各相占据同一空间并相互渗透。这种情况下，可采取统一的连续介质模型描述多相流，其中又可分为无相间滑移的单流体模型（这时不同的相只看成是流体的不同组分）和有滑移的多流体模型或双流体模型。按后一模型，空间各点处每一相可有其各自不同的速度、体积分数和温度。对颗粒群悬浮体多相流，除上述模型外还有非连续介质的分散群的轨道模型和统计群模型。 其研究方法主要有半经验物理模型和统观实验法，数学模型及数值计算法，局部场的实验量测法等。 半经验物理模型和统观实验法：半经验物理模型指以实验观测为基础对多相流的流动形态作出半经验性的简化假设以便进行简化分析计算，如假定多相流为一维柱塞流(plug flow)等。统观实验法指只研究外部参量变化规律，例如多相流在管道中的阻力或平均传热量与流速间的关系、平均的体积分数等，不研究多相流中各种变量的场分布规律。 数学模型和数值计算法：对多相流基本方程组中各个湍流输运项、相间相互作用项和源项的物理规律以实验或公设为基础提出一定的表达式，使联立的方程组封闭，能够求解，这就是建立数学模型。联立的非线性偏微分方程组只能用数值法，如有限差分方法或有限元法求解。已经制定了二维和三维多相湍流流动计算程序软件，可以初步用于计算旋风除尘器、煤粉燃烧室和气化室、液雾燃烧室、反应堆中水-汽系统以及炮膛中气-固或气-液各相中的压力、速度、温度、体积分数等的分布。目前，正在研制用于工程中最优化设计的软件。 实验量测法：研究多相流的流动、传热、传质以及化学反应等规律时，观测其流型，测量各相的速度、流量、尺寸、浓度、体积分数或含气率、温度分布等十分重要。观测流型常常用高速摄影、全息照相和电测法等。测量颗粒尺寸分布可用印痕或溶液捕获法、光学或激光散射法、激光全息术、激光多普勒法 （LDV法）等。测量流量、速度、浓度、重量含气率分布等可以用 LDV法、取样探针、电探针、光导纤维探针、分离器法等。测量平均截面含气率可用放射性同位素法、γ射线法、分离器法等。 多相流的特点是在相间存在相的界面，其间有作用力存在。由于相的分布十分复杂，这使多相流的运动规律比单相流体的运动要复杂得多。目前处理多相流的问题，大多是从宏观出发，根据单相流体的连续性理论，对多相流加以修正。为了进一步阐明多相流的运动规律，各国学者十分重视对多相流机理的研究，以便从微观出发来研究多相流的问题。 多相流技术始于上世纪70年代，当初的计划是用于发展海上大型气田和凝析气田。这就要求更好地掌握管线多相流的现象及水力特性。