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多相流模拟知识讲解

多相流模拟

多相流模拟介绍

自然界和工程问题中会遇到大量的多相流动。物质一般具有气态、

液态和固态三相，但是多相流系统中相的概念具有更为广泛的意义。

在多项流动中，所谓的“相”可以定义为具有相同类别的物质，该类

物质在所处的流动中具有特定的惯性响应并与流场相互作用。比如说，

相同材料的固体物质颗粒如果具有不同尺寸，就可以把它们看成不同

的相，因为相同尺寸粒子的集合对流场有相似的动力学响应。本章大

致介绍一下Fluent中的多相流建模。

多相流动模式

我们可以根据下面的原则对多相流分成四类：

气-液或者液-液两相流：

o气泡流动：连续流体中的气泡或者液泡。

o液滴流动：连续气体中的离散流体液滴。

o活塞流动：在连续流体中的大的气泡

o分层自由面流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。

气-固两相流：

o充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子。

o气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷、雷诺数和粒子属性等因

素。最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各向同性流。

o流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导

入筒内。从床底不断充入的气体使得颗粒得以悬浮。改变气体的流量，

就会有气泡不断的出

现并穿过整个容器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。

液-固两相流

o泥浆流：流体中的颗粒输运。液-固两相流的基本特征不同于液

体中固体颗粒的流动。在泥浆流中，Stokes数通常小于1。当Stokes

数大于1时，流动成为

流化（fluidization）了的液-固流动。

o水力运输：在连续流体中密布着固体颗粒

o沉降运动：在有一定高度的成有液体的容器内，初始时刻均匀散

布着颗粒物质。随后，流体将会分层，在容器底部因为颗粒的不断沉

降并堆积形成了淤积

层，在顶部出现了澄清层，里面没有颗粒物质，在中间则是沉降

层，那里的粒

子仍然在沉降。在澄清层和沉降层中间，是一个清晰可辨的交界

面。

三相流(上面各种情况的组合)

多相系统的例子

气泡流例子：抽吸，通风，空气泵，气穴，蒸发，浮选，洗刷

液滴流例子：抽吸，喷雾，燃烧室，低温泵，干燥机，蒸发，气

冷，刷洗

活塞流例子：管道或容器内有大尺度气泡的流动

分层自由面流动例子：分离器中的晃动，核反应装置中的沸腾和

冷凝

粒子负载流动例子：旋风分离器，空气分类器，洗尘器，环境尘

埃流动

风力输运例子：水泥、谷粒和金属粉末的输运

流化床例子：流化床反应器，循环流化床

泥浆流例子:泥浆输运，矿物处理

水力输运例子：矿物处理，生物医学及物理化学中的流体系统

沉降例子：矿物处理

多相建模方法

计算流体力学的进展为深入了解多相流动提供了基础。目前有两

种数值计算的方法处理多相流：欧拉－拉格朗日方法和欧拉－欧拉方

法。

欧拉－拉格朗日方法

在Fluent中的拉格朗日离散相模型遵循欧拉－拉格朗日方法。流

体相被处理为连续相，直接求解时均纳维-斯托克斯方程，而离散相是

通过计算流场中大量的粒子，气泡或是液滴的运动得到的。离散相和

流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。

该模型的一个基本假设是，作为离散的第二相的体积比率应很低，

即便如此，较大的质

量加载率（fluidparticlesmm

≥）仍能满足。粒子或液滴运行轨迹的计算是独立的，它们被

安排在流相计算的指定的间隙完成。这样的处理能较好的符合喷雾干

燥，煤和液体燃料燃烧，和一些粒子负载流动，但是不适用于流-流混

合物，流化床和其他第二相体积率不容忽略的情形。

欧拉－欧拉方法

在欧拉－欧拉方法中，不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。

由于一种相所占的体积无法再被其他相占有，故此引入相体积率

（phasicvolumefraction）的概念。体积率是时间和空间的连续函

数，各相的体积率之和等于1。从各相的守恒方程可以推导出一组方程，

这