浙江人中舊l 學位論史摘蠼 摘要 f i 多相流動( m u l t i p h a s ef l o w s ，包括：兩相流t w o p h a s ef l o w s ，f 同) j “ ? 泛存在于自然界和工業(yè)、農業(yè)、國防、環(huán)保等各個領域。近二十年來，多年h 流 技術已滲入到我國國民經濟建設的各行各業(yè)，并在一些領域成為關鍵性技術和 尖端技術。因此，多相流研究對指導工程實際具有廣泛、深遠的重大意義，已 得到了各國政府和學者的普遍重視。正是在這樣的歷史和現(xiàn)實背景下，近兒i 一 年柬( 特別是近二十年來) ，多相流研究有了迅猛的發(fā)展，建立了柑對完善的理 論體系，在理論研究和指導工程實際方面取得了豐碩的成果。 眾所周知，兩相流研究是多相流研究的基礎和前沿，而兩相流研究又主要 以氣固兩相流研究為代表，尤其是高濃度( 密相d e n s e p h a s e ) 氣固兩帽流研究 是當前兩相流研究的主要課題。目時，有關高濃度氣固兩相流的研究和報導還 比較少，突出的問題主要表現(xiàn)在如何考慮顆粒與顆粒之間、顆粒與流體之州的 相互作用方面。廠， 本文在系統(tǒng)、全面地回顧和總結近血十年來多相流研究發(fā)展歷史的基礎 l ，進一步論述了多相流研究和應用的廣闊前景；澄清了多相流研究中存在的 一些模糊概念；咀氣固兩相流研究為例，對多相流研究的各種理論模型進行了 系統(tǒng)的分析、歸納和分類。( 從而把氣固兩相流研究的物理模型按其刻劃的尺度 和屬性分為三類，即：連續(xù)介質模型( c o n t i n u u mm o d e l ) 、離散顆孝立模型( d i s c r e t e p a r t i c l em o d e l ) 、流體擬顆粒模型( p s e u d op a r t i c l em o d e l ) ，并對三類物理模型 賴于存在的基礎、長處和存在的問題進行了深入的分析、討論；同時指出，多 相流研究的各種數(shù)學模型都是建立在以上三類物理模型的基礎上的從而對備 種數(shù)學模型的實質、優(yōu)缺點和今后發(fā)展方向有了清晰的了解。在此基礎上二，本 文提出了基于連續(xù)介質和離散顆粒物理模型的e e 法( e u l e r u n e u l e r a n m o d e l ) 與e l 法( e u l e r i a n 幾a g r a n g em o d e l ) 的組合法( c o m b i n e dm o d e l ) 的數(shù)學模型。新的組合法克服了e e 法不能模擬存在相變的流場的缺陷和e l 法因機時問題而無法模擬真實流場的問題，具有一定的創(chuàng)新性，對多相流理淪 研究和指導工程實際都具有重大意義。 文中認為，顆粒動力學理論是e l 法的關鍵，也是本組臺法的關鍵內容之 浙人。學博f 學位論文 摘 一。深入研究和發(fā)展顆粒動力學理論，從而建立真實、準確的顆粒，顆粒l m q 的 碰掩模型、顆粒與流體間的相互作用模型，在膩則i ：就【叮以利月j 奉紕合法模擬 真實的氣固兩帽流動問題。文中認為，流體“擬顆粒”模型適合f 計算模擬流 場的微觀結構，通過流體“擬顆粒”模型對多相流動微則結構的了解，從向建 立顆粒與顆粒問、顆粒與“拉顆?！睈诺南嗷プ饔媚Ｐ?，并借助本組合法u f 能 實現(xiàn)多相流研究理論質的飛躍。 最后，本文利用所提出的新的組合模型，對高濃度氣固兩相立管流動進行 了數(shù)值模擬；對稀相和密相氣固兩相射流進行了數(shù)值模擬，兩者均得到了滿意 的數(shù)值解：將所得數(shù)值結果與相關實驗數(shù)據(jù)進行了比較，兩者寸分吻合，證明 了本組合法在模擬高濃度氣固兩相流動時的準確性和可靠性，并具有一定的普 、 適性。 、一 關鍵詞：多相流、兩相流、密相、物理模型、數(shù)學模型、組合法 i i i 浙江人學f 尊i 。學位論文 摘些 a b s t r a c t m u l t i p h a s ef l o w se x i s t sa l la r o u n di nt h en a t a r a lw o r l da n di sw i d ea p p l i e di n t h ef i e l d so f i n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，n a t i o n a ld e f e n c ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e t c i nt h er e c e n tt w e n t yy e a r s ，m u l t i p h a s et e c h n i q u eh a sp e r m e a t e di n t oe a c hb r a n c ho f o u rn a t i o n a le c o n o m y e s p e c i a l l y , i th a sb e e nb e c o m i n gi m p o r t a n tt e c h n o l o g yo rt h e m o s ta d v a n c e db r a n c h e so f t e c h n o l o g y i ti se x t e n s i v ea n dd e e p l yi m p o r t a n tt os t u d y t h em u l t i p h a s ef l o w s ，a n dt h eg o v e r n m e n ta n dt h er e s e a r c h e rh a v eb e e np a y i n gm u c h a t t e n t i o nt oi c u n d e rt h i sh i s t o da n dr e a l i t yb a c k g r o u n d i tj sm a d ea g r e a ta d v a n c et o s t u d ym u l t i p h a s ef l o w si nr e c e n tt w e n t yy e a r s a n di th a sb e e ne s t a b l i s h i n ga r e l a t i v e c o m p l e t et h e o r ys y s t e m ，a n d i tw a sa l s om a d eag r e a t l ys u c c e s s f u lt o g u i d et h e p m c t i c a le n g i n e e r i n g a sw ek n o w - , s t u d yo ft w o p h a s ef l o w si st h ef o u n d a t i o na n dt h ef o r w a r d p o s i t i o no f t h es t u d yo f m u l t i p h a s ef l o w s ，a n di t i sm a i n l yt h es t u d yo f g a s - s o l i dt w o - p h a s ef l o w s t os t u d yt w o - p h a s ef l o w s e s p e c i a l l y , t h ed e n s e g a s - s o l i dt w o p h a s ef l o w s i st h ef o r w a r dp o s i t i o no f s t u d yg a s - s o l i dt w o - p h a s ef l o w s a tp r e s e n t ，i ti so n l ya f e w r e p o r t so n 血es t u d yo f d e n s eg a s s o l i dt w o - p h a s ef l o w s a n dt h em a i np r o b l e mi sh o w t oc o n s i d e rt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep a r t i c l et op a r t i c l ea n dp a r t i c l et of l u i d si i 1t h e f l o w s b a s e do nt h et h o r o u g h l yr e v i e wa n ds u m m a r yi nt h ep r o g r e s sh i s t o r yo ft h e m u l t i p h a s ef l o w sr e s e a r c h i n gi nr e c e n tf i f t yy e a r s ，t h et h e s i sw a sm a d ea na d v a n c e d d i s c u s s i o n0 1 it h ew i d ef o r e g r o u n do f t h em u l t i p h a s ef l o w s s t u d ya n da p p l i c a t i o n ，a n d c l a r i f i e ds o m e c o n c e p to fm u l t i p h a s ef l o w s s t u d y t a k eg a s s o l i dt w o p h a s ef l o w sf o r e x a m p l e t h et h e s i s d i s c u s s e da n dc l a s s i f i e dt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fm u l t i p h a s e f l o w s s t u d y , t h a ti s c o n t i n u u mm o d e l d i s c r e t ep a r t i c l em o d e la n dp s e u d op a r t i c l e m o d e l a n dm a d ead e e pa n dj e t a i ld i s c u s s i o no nt h ef o u n d a t i o n ，a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e a b o u tt h et h r e ep h y s i c a lm o d e l t h et h e s i sc o n s i d e r e dt h a ta l lt h e m a t h e m a t i c sm o d e l so ft h em u l t i p h a s ef l o w s s t u d ya l eb a s e do nt h et h r e ep h y s i c a l m o d e l s t h u s ，w eg o tm o r ec l e a r l yu n d e r s t a n da b o u tt h ee s s e n c e ，a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e a n dt h ed i r e c t i o no fs t u d yi nf u t u r eo f t h ev a r i o u sm a t h e m a t i c sm o d e l s a t i e rt h i s t h et h e s i sr a i s e aan e wc o m b i n e dm a t h e m a t i c sm o d e lw h i c hb a s e do nt h e e em o d e l ( b u s i n go nt h ec o n t i n u u mp h y s i c a lm o d e l ) a n de lm o d e l ( b a s i n go nt h e d i s c r e t ep a r t i c l ep h y s i c a lm o d e l ) t h en e wc o m b i n e dm o d e ls o l v e dt h ep r o b l e mo f t h a tt h ee em o d e lc a r l tu s et os i m u l a t et h ef l o w st h a te x i s t sp h u s ec h a n g e ，a n dt h e e lm o d e ln e e d si n f i n i t ec o m p u t e rt i m et os i m u l a t et h er e a lf l o w s i nag e n e r a lw a u t h en e wm o d e lb r i n g sf o r t h n e wi d e a st ou s a n di ti si m p o r t a n tt om u l t i p h a s ef l o w s s t u d ya n d t h ea p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g t h et h e s i sc o n s i d e r e dt h a tt h ep a r t i c l ek i n e t i ct h e o r yi st h ek e r n e lo ft h ee l m o d e l a n di ti sa l s ot h eo n eo ft h em o s ta d v a n c e db r a n c h e so ft h en e wc o m b i n e d m o d e l a d v a n c e dr e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ep a r t i c l ek i n e t i ct h e o r y , a n de s t a b l i s har e a l a n da c c u r a t em o d e lo f t l l ei n t e r a c f i o nb e t w e e np a r t i c l et op a r t i c l ea n dp a r t i c l et of l u i d s i nt h ef l o w s t h u sw em a yu s et h en e wc o m b i n e dm o d e lt os i m u l a t et h er e a lg a s - s o l i d v 浙 1 人學f 尊l 學位論文 抽爛 t w o p h a s ef l o w s i na d d i t i o n t h et h e s i sc o n s i d e r e dt h a tt h ep s e u d op a n i c l em o d e i s h o u l db eu s e dt os i m u l a t et 1 1 em i c r o s t r u c t u r eo f t h em u l t i p h a s ef l o w s b ys i u d vo f t h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h em u l t i p h a s ef l o w s w em a y g e tar e a la n da c c u r a t em o d e lo ft h e i n t e r a c t i o nb e t w e e n p a r t i c l e t o p a r t i c l e a n d p a r t i c l e t o p s e u d op a r t i c l e i nt h e m u l t i p h a s ef l o w s ，a n dt h e nm a ym a k eag r e a tp r o g r e s si nm u l t i p h a s ef l o w sr e s e a r c h b yu s i n gt h en e wc o m b i n e dm o d e l f i n a l l y , t h et h e s i se m p l o y e dt h en e w c o m b i n e dm o d e lt os i m u l a t et h ed e n s eg a s s o l i dt w o p h a s ev e r t i c a lf l o w s ，t os i m u l a t et h ed i l u t eo rd e n s e g a s s o l i dl w o p h a s ei e t f l o w s ，a n db o t ho ft h e mg o tas a t i s f i e dn a m e r i c a ls o l u t i o n a f t e rc o m p a r i n gt h e n u m e r i c a lr e s u l t st oe x p e r i m e n t a ld a t a w ef o u n dt h a tt h e yw e r eq u i t ea g r e e m e n t i t p r o v e st h a tt h en e wc o m b i n e dm o d e l i sr i g h t a c c u r a t ea n dr e l i a b l e 。a n di tm a yb e s u i t a b l et os i m u l a t ev a r i o u sd e n s eg a s s o l i dm u l t i p h a s ef l o w s k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w s ，g a s - s o l i d ，t w o p h a s ef l o w s ，d e n s ep h a s e ， p h y s i c a lm o d e l ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o m b i n e d m o d e l v 浙江凡學博l 學位論史奴 謝 致謝 本文的研究工作是在岑可法院上、樊建人教授兩位導! j 1 j 的悉心指導和熱情 關心下完成的。在此，致于學生最崇高的敬意和衷心的感謝! 作為一名在職博士生，常常因工作耽誤學業(yè)，導師總足給予嚴格的要求利 時心的指導。特別是岑院士淵博的學議、寬厚的胸懷和運籌帷幄的大家風范， 樊教授的嚴謹治學、孜孜不倦的學者精神和諄諄教導，使學生深受熏陶，銘匯 在心，終身受益。恩師如父，永世難忘! 本文的完成得到了卜兒孝研究員的關心與支持，得到了學生的碩l 研究牛 導師許學諮教授的關心與幫助，得到了師長丁浩江教授、王寬福教授、，”建華 教授、王玉芝研究員、許為民研究員的關心與幫助還有方夢祥教授、董宏副 教授的幫助。在此，對他們表示崇高敬意和衷心感謝。 論文的成文過程中，得到了課題組會軍高工和陳松老j | i j 在計算機方面的熱 心幫助，得到了師弟鄭友取博士、錢力庚博士在資料和計算機方面的幫助，我 表示誠摯的謝意。 論文的成文過程中，還得到了同事朱征、陶向陽、劉小潔、末小雄老師等 的支持與幫助；論文的打印中，得到了好友程艷旗、胡放老師的幫助。在此， 我表示真心的謝意。 感謝在論文工作中關心和幫助過我的每一位老師、同事和朋友。 特別感謝妻子和女兒默默的關心和無私的愛，感謝父母的關心與愛，感謝 岳父岳母的關心與支持。 衷心感謝各位評審專家和論文答辯委員。 謝謝! 馬銀殼 2 0 0 1 年于求是園春色中 浙江凡學博i j 學位論奠 第一章緒論 1 1 引言 多相流動廣泛存在于自然界和應用于工業(yè)、農業(yè)、醐防等領域，如：自然 界的雨雪運動、風沙運動、冰雹運動等都為多相流動，工業(yè)領域中的石油盯采、 煤炭丌采及其運輸加工等過程、火箭尾部射流運動等等均為多柏流運動。近5 0 年來，隨著人類對自然界研窮的深入發(fā)展和工業(yè)生產領域的廣泛應用，多相流 動現(xiàn)象越柬越引起人們的重視，人類的社會實踐活動迫切需要研究和掌握多相 流運動的規(guī)律，從而更好地為社會實踐服務。多相流理論f 是在這樣的社會和 自然背景下，在最近的5 0 年內迅猛發(fā)展起來的，它是一門集流體力學、傳熱傳 質學、物理化學、燃燒學等多門學科理論的交叉新興學科，即是一門研究不同 相態(tài)或不同組份的物質同時存在且有明確分界面時的流體動力學以及其傳熱傳 質過程規(guī)律的科學“1 。 早在1 9 世紀就有關于明渠水流中泥沙沉降和輸運的兩相流動研究 3 l ，但是 兩相流的系統(tǒng)研究是從二十世紀4 0 年代彳丌始的。二十世紀6 0 年代以后，隨 著工業(yè)部門各行各業(yè)對多相流運動的廣泛應用和實踐指導的需要，以及研究條 件的成熟，越束越多的學者丌始對關于描述多( 兩) 相流運動規(guī)律的基本方程 進行探討研究，并償試著對復際問題進行解釋、驗證和指導，從而逐步出現(xiàn)了 許多關于多( 兩) 相流理論研究的論文和專著。 我國多相流研究起步于二十世紀5 0 年代后期，真正得到理論界重視并研 究推廣應用是在二十世紀8 0 年代，當時研究人員主要來自高校( 如：清華大學、 西安交通大學和浙江大學等) 和科研機構( 如中國科學院力學研究所、化學研究 所等) 。研究的主要內容有：兩相流動及其傳熱過程的基礎研究，流化床、燃煤 鍋爐氣固兩相流流場及流動特性研究，氣固兩相管內流動研究，以及在高壓f 進行汽液兩相流動與傳熱特性的研究等。通過眾多學者的共同努力，取得了大 量的實驗測試數(shù)據(jù)和理論研究成果，并在一些方面達到和具有國際領先水平。 經過半個多世紀的發(fā)展，多相流研究領域更加廣泛、內容更加豐富，其實 驗和理論研究手段更加成熟，取得了巨大的研究成果。隨著研究手段的發(fā)展、 浙江人學博i j 學位論立 鋪一辛=i 肯論 完善和進步多相流研究已從研究簡單的實驗流場發(fā)展到研究真實的實際流場。 眾多學者針對各個j 二程實際，提出了各種多相流研究的物理模型和數(shù)學模型， 并用所建立的數(shù)學模型進行求解，將其所得的理論( 數(shù)值) 結果與實驗測試結 果進行比較，以驗證所建立的物理模型和數(shù)學模型的正確性和準確性。如f 文 將提到的物理模型有：連續(xù)介質模型、離散顆粒模型和流體擬顆粒模型三犬類； 數(shù)學模型有：k s 模型、顆粒動力學模型、渦動力學模型、擬序結構模型、顆 粒軌道模型等等。 但是，f 如我們所知，由于多相流動的多樣性和復雜性，人們對其運動中 的物理機理和所表現(xiàn)出來的特性了解不夠全面和準確，導致目時多相流理論研 究雖然模型眾多，但有一個共同點，即各理論模型對實驗數(shù)據(jù)、經驗公式的依 賴性大、普適性差，這在某種意義上阻礙了多相流理論研究的深入發(fā)展。 氣固兩相流動是多相流動的組成部分和理論研究的基礎。氣固兩相流動“ 泛地存在于自然界和許多工業(yè)部門中( 如：自然界中的下冰雹、下雪和近年柬 多發(fā)的沙塵暴等現(xiàn)象，在工業(yè)部門諸如航天、化工、能源、建材、冶會和環(huán)保 等各個領域都有廣泛的應用) ，且在物理概念上易于理解，和在理論研究中易于二 簡化模型進行研究和應用。因此，近幾十年柬，氣固兩相流運動引起了理論界 和工程研究部門的廣泛重視。氣固兩帽流研究是多相流研究的基礎，代表了當 前多相流研究的前沿。尤其是高濃度氣固兩相流動的研究f 處于起步階段，有 關這方面的研究報道還比較少，對其流動特性及傳熱過程的深入研究具有重要 的理論和現(xiàn)實指導意義。 本文從多相流概念出發(fā)，通過對各種物理模型和數(shù)學模型的深入分析研 究，進一步明確了多相流中相”的概念，揭示了各個模型之| 日j 的依存關系和 各自的優(yōu)缺點，并針對高濃度氣固兩相流動的特性和目前數(shù)值計算手段的局限 性，做了咀下工作： l 、提出了一個新的數(shù)學模型，即：歐拉一歐拉法( e u l e r i a n e u l e r i a nm o d e l ) 與歐拉一拉格朗r 法( e u l e r i a n l a g r a n g em o d e l ) 的組合法( c o m b i n e d m o d e l ) ： 2 、利用新組合法對高濃度氣固兩相立管流動進行了數(shù)值模擬： 3 、利用新組合法對稀相和密相氣固兩相射流進行了數(shù)值模擬； 浙江、學博i 。學位論丘 第章緒論 4 、將所得數(shù)值結果與相關實驗數(shù)據(jù)進行比較，兩者卜分吻合；對數(shù)值模 擬結果進行了分析、討論： 5 、對氣固兩相流研究今后的研究工作進行了展望。 1 2 多相流研究 目前，多相流研究丁f 處在從基礎研究向縱深研究交叉發(fā)展的階段，即：多 相流基礎理論的成熟與完善促使人們轉向多相流縱深層次的研究，多相流縱深 層次研究所取得的成果進一步完善了多相流基礎理論。但是，由于多相流研究 的各種物理模型和數(shù)學模型正在不斷涌現(xiàn)、發(fā)展和完善中，因此有關多相流理 論仍處在發(fā)展和完善的階段，有關多相流概念還存在一定的交叉和模糊。本節(jié) 從物理學概念出發(fā)，對多相流概念進行澄清，并對多相流研究歷史進行回顧。 1 2 1 多相流概念 多相流運動廣泛存在于自然界和工業(yè)應用領域，如自然界的風沙運動、阿 雪天氣、泥沙流動等現(xiàn)象。目前對多相流的劃分可分為狹義和，“義磚種概念， 前者是針對在物理學上物質有氣、液、固和等離子體四態(tài)( 相) l 而提出柬的， 而后者是根據(jù)物質在流動中的不同運動特性( 不同的動力學性質) 束劃分的【4 1 。 顯然，前者在物理學上易以理解，是指在流體運動中在物理概念上存在著 多于兩種( 包含兩種) 流體介質的流動現(xiàn)象l 。通常所指的多相流現(xiàn)象有：氣 一固兩相、液一固兩相、氣一液兩相組成的兩相流動，氣一液一固三相、油一 氣一水三相、氣一油一水一固四相等三相或多相組成的多相流動。 而后者，是指在理論研究中，一些學者不但把不同的運動介質稱作不同的 相，而且把同一介質但有不同動力學性質的同一物質也當作不同的相束處理。 如許多作者把包含幾種顆粒粒徑的氣體一顆粒流也稱為多相流。 在這兩種概念中，對“相”字的理解分別為物理學中的相和動力學意義i ： 的相，因而在理論研究中多相流概念存在一定的交叉，容易引起概念混亂。我 們認為，動力學意義上的“相”主要是為了理論研究時建立物理模型和數(shù)學模 一日前多相流柳f 究中很少涉及等離了體，青必作肯把它當作氣態(tài)m 納入氣相束處理。救奉土小甲獨i 0 論等 離了態(tài)( 相) ，l 叮h 論氣、液、州三相。 3 浙江人學博1 學位論丘 箱一章緒睦 型的需要，可用“一種( 或一組) 流體”束代管“一相”，使多相流概念中的“柑” 與物理學中的“相”統(tǒng)起來。這樣，我們可根據(jù)研究需要而將“包含7 l i m b 顆 粒粒徑的氣體一顆粒流運動”稱作為“氣一固兩十u 流運動”或“氣一幽兩相多 ( 組) 流體運動”，相應的數(shù)學模型為“氣一固兩相流模型”或“氣一劇兩柏多 ( 組) 流體模型”。這樣，許多以多相研究來命名的多( 組) 流體流動町口i 入兩 相流動研究。 還有一些作者把一部分多( 兩) 相流體稱作為“非牛頓流體”，從而把“多 相流”與“牛頓流體”、“非牛頓流體”混淆起來，這是另一種概念模糊。我們 知道，之所以將流體劃分為“牛頓流體”與“非牛頓流體”是吲為在描述流體 動量方程中計算流體各種應變力的需要，它的劃分標準是：若流體的粘性應力 與應變率之涮成f 比，則稱該流體為“牛頓流體” 2 r i ；相反，如糶流體的粘性 應力與應變率之間不成正比，則稱該流體為“非牛頓流體”。顯然，“牛頓流體” 與“非牛頓流體”的劃分與“相”無關。事實上，大多數(shù)兩( 多) 相混合物流 體的粘性應力與應變率之間不成f 比，屬于“非牛頓流體”。所以，對于多( 兩) 相混合物研究若不采用多( 兩) 相流模型，則幾乎都要采用“非牛頓流體”模 型。 所以說，所謂“把多相流體稱作為非牛頓流體”，實際上是說“多相流 研究中所采用的非牛頓流體模型”?！胺桥ｎD流體模型”是多( 兩) 相流理 論研究中的另一個方向，即多( 兩) 相流研究中有“多( 兩) 相流體模型”和 “非牛頓流體模型”兩個方向。兩個方向各有千秋，不能相互替代。如，在研 究氣固兩相流時，由于我們要分別計算氣相速度、固帽速度、固相容積系數(shù)、 質量流量等，因此就不能用“非牛頓流體模型”；而對于象泥石流一類的多相流 運動，我們更關心的是多相混合物整體的運動狀態(tài)和動力學特性，故可采用“非 牛頓流體模型”進行研究。 綜上所述，對于多( 兩) 帽流概念中的“相”，我們建議應沿用物理學中 的“相”的概念：而多( 兩) 相流研究可分為“多( 兩) 相流模型”和“非牛 頓流體模型”兩個方向，或稱其為兩種模型、兩種方法。 4 浙江人學陴 j 學位論上 1 2 2 多相流研究的內容及其在我國民經濟建設中的地位 一如6 h 文所述，多( 兩) 相流廣泛存在于自然界和各個工業(yè)部分，： - 出 紀7 0 年代以后，世界發(fā)達國家對多( 兩) 相流研究同趨重視，先后設立了圍家 級乃至世界范圍內的多相流專門研究機構( 中心) ，廣攬專家、學者，在多相流 研究中取得了豐碩的成果，對本國的工業(yè)、農業(yè)、國防、航天等領域作出了重 大的貢獻。如：美國、德國、只本、前蘇聯(lián)等在二十世紀7 0 8 0 年代相繼建( 成) 立了各種多相流研究中心或國家實驗室。進入8 0 年代末9 0 年代切，這些幽家 又進入到將相關研究中一c ，、醌究機構或高等院校進行跨地區(qū)全國范b i 、乃至砒 界范圍內的聯(lián)合，并頻頻舉辦囤家或國際多相流學術會議。如：1 9 8 7 年美斟中 西部2 0 多所大學與阿貢國家重點實驗室及工礦企業(yè)聯(lián)合成立了多相流研究 所：在f i 本成立了全國性的多相流學會等?？梢哉f，近十年柬，國際多柏流學 術活動十分活躍，每年召丌的國際學術會議就有】0 幾次；同時，據(jù)不完全統(tǒng)汁， 目前國際上有關多相流的雜志、期于u 已超過3 0 0 多種。 近_ 卜幾年來，我國對多帽流研究也十分重視，從1 9 9 0 年丌始先后批準成 立了多相流國家重點實驗室和工程研究中心，使我國多相流研究有了更快的發(fā) 展。如：1 9 9 0 年在西安交大成立了“動力工程多相流國家重點實驗室”、在清 華大學成立了“煤的高效低污染燃燒國家重點實驗室”等多個國家重點實驗室； 1 9 9 2 年起設立了“國家水煤漿工程技術研究中心浙江大學燃燒技術研究所”等 首批7 個國家工程技術中心。1 9 8 9 年我國在西安交大還舉辦了“第：二屆多相流 與傳熱國際會議”，我國臺彎省也舉辦了兩相流體力學國際會議。中國力學學會、 中國工程熱物理學會也成立了有關多相流研究的專業(yè)委員會。 所有這一切表明，多相流研究得到了我國政府和學術界的高度重視，多相 流研究是當今流體力學研究的重點和前沿之一，它將在工業(yè)、農業(yè)、航天等領 域的經濟建設中發(fā)揮越柬越重要的作用。 首先，在能源工業(yè)方面。眾所周知，能源工業(yè)是我國經濟建設的重點之一。 隨著工農業(yè)生產的迅速發(fā)展，我國已從能源出口國成為能源凈進口國。因此， 提高能源利用效率，不但將直接影響我國現(xiàn)階段國民經濟發(fā)展速度，而且將成 浙江人學博l j 學位論爻 第一爭緯論 為我國困民經濟能哲長期穩(wěn)定發(fā)展的重要吲素。要提高能源利 j 效率j ：要足 依靠能源、動力、石油化工和各行各業(yè)的生產力的發(fā)腥，尤其足與之相關的科 技進步而與之相關的科技進步的關鍵問題之一是多柏流問題。 如：火力發(fā)電是我國目蒔主要的電力柬源，如何通過對煤粉燃燒爐內多干 流流動及其傳熱的研究，改善鍋爐的形狀和結構設計，改善爐內煤粉的流動分 布，從而提高煤粉的燃燒率，增強燃燒的穩(wěn)定性，加快爐熱與水蒸，e 的熱量交 換等等，這些都涉及到多相流問題。如：我國的火力發(fā)展正向高溫高雎大機組 的方向發(fā)展，其中1 7 m p a 級3 0 0 m w 和6 0 0 m w 級亞臨界壓力機組已成為電力 工業(yè)的主力機組，并j 下在研究發(fā)展超臨界變壓運行的2 5 m p a 級6 0 0 m w 的機紐。 深入研究汽液兩相流的水動力特性及其傳熱惡化規(guī)律，對保證鍋爐水冷壁的安 全可靠性具有重要意義。再直【：大型汽輪機中術級葉片的設計和核電站汽輪機 中濕蒸汽兩相流問題已成為汽輪機發(fā)展的關鍵課題。 我國幣在發(fā)展建造的核電站，其中也存在許多兩相流動和其傳熱問題，深 入研究兩相流及其傳熱的特性對水冷反應堆的安全穩(wěn)定關系重大。汽液兩相流 的水動力特性及其傳熱研究同樣是核電站發(fā)展的關鍵課題之一f 3 “。 在石油開采、加工的各個過程也存在著大量的兩( 多) 相流及其傳熱f u j 題。 如：在石油丌采過程中，存在著大量的氣( 汽) 、水、油等多相流動和多相分離 的問題；在煉油等石油淺、深加工過程中，存在著兩( 多) 相流傳熱強化等課 題。 煤的丌采、加工、干燥、運輸及風粉混合和分離的過程，都是氣嘲兩相流 研究的重要課題。近年束發(fā)展完善起來的流化床燃燒技術，更是氣固兩相流及 其傳熱研究的主要課題。 近年來頻繁出現(xiàn)的沙塵暴等天氣現(xiàn)象，是天氣預報中要重點解決的兩( 多) 相流研究課題。 另外，在治會、航天、大型微電子設備等領域，對冷卻技術要求越來越高， 從而使利用射流沖擊產生相變形成汽化冷卻或蒸發(fā)冷卻的理論研究受到了政府 和學術界的廣泛重視。 由此可見，多相流動已滲入到國民經濟的各個領域中。隨著人們對自然界 一一一 r 浙江人學博f j 學位論文 箱幣緒睦 的深入研究和丌發(fā)，隨著社會生產力發(fā)展和社會實踐的需要，多相流及其傳熱 過程的研究將會得到更廣泛的重視和應用，其研究領域將會更加廣泛、史加深 入，其研究手段將更加成熟和可靠，其理論將會得到更快的完善和發(fā)展。 1 2 3 多相流研究的歷史回顧 如前文所述，早在1 9 世紀就有關于明渠水流中泥沙沉降和輸運的兩玳僦 動研究，但是兩相流的系統(tǒng)研究是從二十世紀4 0 年代才丌始的。從二十世紀 4 0 5 0 年代，詐真研究兩相流的學者較少，且對兩相流的研究主要集中在實驗 觀測和現(xiàn)象描述方面。 二十世紀6 0 年代，越來越多的學者丌始關心和研究兩相流問題，但研究 的主要內容為一些簡單的兩相流運動的實驗測試及其基本方程的研究”6 _ 8 1 。1 9 6 3 年，在流化床研究領域中，d a v i d s o n 成功地運用兩相概念，提出了著名的氣泡 模型i 。d a v i d s o n 氣泡模型雖然形式簡單，但出于當時能夠解釋流化床中許多 重要現(xiàn)象，從而引起了將兩帽流理論應用于流化床中氣泡現(xiàn)象的研究的高潮， 出現(xiàn)了大量關于氣泡的理論模型。1 9 6 7 年，在國際流念化研討會上，經過許多 學者對不同模型的研究討論，發(fā)現(xiàn)雖然各類模型都試圖求解氣( 固) 相速度、 空隙率和壓降等物理量，但是它們的運動方程卻有很大的差異【1 ，尤其是當顆 粒相運動方程中存在壓力梯度項時會導致方程的初值問題病念i “。2 1 3 i 。雖然我們 現(xiàn)在知道，d a v i d s o n 氣泡模型和隨后發(fā)展完善的各類氣泡模型存在某些缺陷， 但其對兩相研究發(fā)展的巨大推動作用是毋庸置疑的。 二十世紀7 0 年代，人們開始對一些相對復雜的多相流動現(xiàn)象( 主要為管 道內的顆粒懸浮運動) 進行了大量的實驗測試，并在流體力學、傳熱學等理論 的基礎上，發(fā)展建立了多相流理論體系 3 3 - 3 8 l 。1 9 7 4 年，a r u n d e l 和h o b s o n 等p n 利用d o p p l e r 激光測速儀對立管流動中匱【相顆粒速度進行了測量。通過對立管 流動的顆粒速度的測量發(fā)現(xiàn)：對于層流流動，固相顆粒軸向速度沿管徑呈拋物 線型分布，并隨著管道r e y n o l d s 數(shù)的增大，速度分布曲線趨于平滑；在管壁附 近，粒徑小的顆粒比粒徑大的顆?；扑俣雀?。1 9 7 7 年，b i r c h e n o u g h 和 浙江人學博1 。學位論史 第一章緒論 m a s o n 3 7 - 3 8 1 對垂直管道內的顆粒懸浮流動進行了實驗測試，得到了顆粒速度分卻 和沿軸向的脈動強度。結果表明，在氣體入口速度為5 4 m s 時，顆粒懸浮流動 的湍流脈動強度比純( 單) 流體流動更強，顆粒的碰撞作用占有二芒導地位。 二十世紀8 0 年代，人們對多相流的研究丌始從相對簡單的管道流動發(fā)展 到相對復雜的流化床流動和氣固兩相分離運動，從稀相( 低濃度) 流動向密柑 ( 高濃度) 流動發(fā)展，并在稀相流動研究的基礎上，建立了密相流動的物理模 型和基本方程m 4 l 。1 9 8 1 年，s a v a g e 等 1 4 , 1 5 1 首先在類比稠密氣體分子運動理論m 】 的基礎上，研究了稠密顆粒流問題。隨后許多研究者，如c a m p b e l l i ”1 等進行了 一系列的研究工作，于1 9 8 6 年初步建立了顆粒動力學( k t g f ) 的理論體系。 陔理論的重要基礎之一是提出了顆粒虛擬溫度( r ) ，它直接類比氣體分子溫度， 其定義為：r = “2 3 ，其中“為顆粒脈動速度。從顆粒虛擬溫度的定義可以看 到，氣體溫度是分子運動速度的量度，而顆粒溫度是顆粒脈動速度( 強度) 的 量度；分子運動是由自身的溫度決定的，而顆粒運動是由外力或運動邊界驅動 的；分子碰撞不耗散能量，而顆粒碰撞有能量損失。1 9 8 9 年，s i n c l a i d ”1 等首先 將顆粒動力學理論應用于充分發(fā)展的立管流動，并進行了數(shù)值模擬，得到了數(shù) 值解。 二十世紀9 0 年代，多柏流研究十分活躍，研究內容從無源流場向有源流 場發(fā)展，刻劃尺度從宏觀特性向微觀結構深入，研究空削從一維、二維流場向 三維流場發(fā)展，諸多學者紛紛提出各種物理模型和數(shù)學模型，使多相流理論體 系飛速發(fā)展和完善【4 6 。5 ”。1 9 9 0 年，d i n g 和g i d a s p o w t q l 發(fā)展完善了顆粒動力學理 論，通過引入速度分卻函數(shù)m a x w e l l 函數(shù)0 次近似解，對氣體鼓泡流化床內顆 粒流動進行了數(shù)值模擬，得到了流化床二維氣泡流型。1 9 9 2 年，m i l l e r 和g i d a p o w 【：o 對循環(huán)流化床內氣固兩相流動進行了實驗測試，得到了氣固兩相速度、固相 質量流量、固相容積系數(shù)等標準實驗值，為氣固兩相流各類模型的數(shù)值模擬提 供了參照和驗證依據(jù)。1 9 9 6 年，n i e u w l a n d l 2 1 1 和s a m u e l s b e r g 2 2 1 等修- f 了d i n g 和 g i d a s p o w 的速度分布函數(shù)，利用顆粒動力學理論對循環(huán)流化床內氣固兩相流動 進行了數(shù)值模擬，給出了顆粒速度等參數(shù)的分布，但模擬結果偏離m i l l e r 剌 浙江人學悼卜學位論空 筘辛緒論 g i d a p o w 實驗測試值較大，這可能是在數(shù)值模擬時采用了不恰當?shù)倪吔鐥l件向 導致的。等等。 總之，近十幾年束，多相流研究得到了空前的重視和迅猛的發(fā)展各種模 型層出不窮口”o i 。如：從流體組元( 方程組數(shù)目) 束看，可分單流體模型、艤 流體模型和多流體模型；從研究的尺度上看，可分為宏觀連續(xù)模型和微觀連續(xù) 模型；從研究的著眼點來看，以可分為顆粒動力學模型、渦動力學模型、k s 模型、顆粒軌道模型等等。各種模型各有長處，也各有短處，但普適性均較差， 有待廣大學者進一步發(fā)展和完善。同時，目前在多相流研究中還存在著研究 手段上的局限，如顆粒軌道模型由于耗機時問題而無法計算真實流場等。 1 3 氣固兩相流研究 氣固兩相流研究是多帽流研究的基礎，出于氣固兩相流在社會實踐中應用 廣泛，在物理概念上比較清晰，流動相對簡單和易于建立物理模型和數(shù)學模型， 故諸多學者對氣固兩相流進行深入、全面的研究。因此，從某種意義上說，氣 固兩相流研究代表了當前多相流研究的前沿。 1 3 1 物理模型與數(shù)學模型 如上所述，由于多相流動的多樣性和復雜性，人們對其運動中的物理機理 和所表現(xiàn)出來的特性了解不夠全面、不夠系統(tǒng)，導致目前多相流理論研究對實 驗數(shù)據(jù)、經驗公式的依賴性大，各個理論模型依據(jù)不充分、普適性差，阻礙了 理論研究的深入發(fā)展。對多相流動物理機理的不同理解，導致不同的理論研究 數(shù)學模型。以氣固兩相流為例，按其刻劃的尺度和屬性來分，目前主要存在以 下三類物理模型： 一、連續(xù)介質模型( c o n t i n u u mm o d e l ) o ”。此類模型將顆粒帽看成是擬 流體，這是目時在兩相流動研究領域中使用最廣泛的一種方法。在這種模型中， 顆粒相常只被處理為一相，因此，在一些文獻中又常常被稱為“雙流體模型” 浙江人學博l j 學位論奠 ( t w o - f l u i dm o d e l ) 。在數(shù)學，i 程中，由于這類模型對流體、顆粒都采用瞅 t 一垮 標系( o r i e n to fe u l e rs y s t e m ) ，故其對應的數(shù)學方法為“歐拉法”( e u l e r i a n m o d e l ) 。典型的數(shù)學模型有：k s 模型、n a v i e r s t o k e s 推f 。模型、顆粒動j 學 模型、渦動力學模型、擬序結構模型等等。目f i i ，在氣固兩相流研究中，極大 部分作者所建立或采用的模型為連續(xù)介質模型。 二、離散顆粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ) 1 2 5 , 2 6 1 。此類模型將顆粒柏看成 離散帽，而只將氣體相看成是連續(xù)相，它既考慮顆粒與氣體r b j 目互作用，又考 慮顆粒與顆粒叫的相互作用。由于此模型可以跟蹤所研究顆粒的運動軌跡，故 又被稱為“顆粒軌道模型”( p a r t i c l e - t r a j