（工程热物理专业论文）水平圆管内微米级气雾两相流的研究.pdf

摘要 摘要 石油燃料的广泛使用日益造成严重的环境污染，如果用超声波雾化石油燃 料特别是重油后再燃烧，将可以大大减少c o 、h c 、n 0 。及固体颗粒等污染物的 生成机会，达到从污染物生成的源头切断污染物的形成，从而达到控制、降低 污染物的目的。 液体燃料经超声波雾化后变为微米级雾滴。为了对整个过程中涉及液滴输 运及燃烧时蒸发、吸热、爆炸破碎、混合、扩散等变化现象的研究，本文从多 相流理论进行深入的研究。本文对多相流研究的历史作了简要的回顾总结；对 气雾( 粒) 两相流研究在多相流研究中的地位作了论述；对气雾( 粒) 两相流 模型作了分析总结，气雾( 粒) 两相流的研究是目前多相流研究的前沿并具有 重大的工程实际意义；对多相流的研究内容及其在我国国民经济建设中的重要 地位作了较全面的论述。 多相流模型可分为三大类物理模型，即连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) 、 离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ) 、流体拟颗粒模型( p s e u d op a r t i c l e m o d e l ) 。在同一物理模型基础下，由于研究的对象或描述的着眼点( 刻划的重 点) 不一样，产生了不同形式的数学模型和理论研究手段。本文以两相流的物理 模型为基础，对两相流的数学模型进行较全面的回顾、归纳和分类，并对各数 学模型的优缺点进行分析、讨论。 本文基于管内气雾两相流流场的实验装置来进行雾化试验的研究。钢瓶中 是高压的氮气n ：，通过控制压力可以获得不同的n 。初速，n 。以一定的初速流入 混合室，液体在雾化室里由超声波雾化器雾化获得雾滴，由稳压电源输出的 5 0 v ，5 0 0 m a 的电流经雾化器中的电震荡器形成高频交流电流，这个高频交流 电流使雾化器上的振动膜片产生高频震荡，形成超声波，利用超声波在液相中 产生的定向压强，将液体空化，产生液体负离子，最终形成液雾。液雾在混合 室中与氮气混合。从混合室出口流入水平放置的内径为3 0 m m 的有机玻璃管。 实验测定不同氮气流速条件下雾粒的雾化量。 分别在e u l e r i a n 坐标系下建立了欧拉( e u l e r ) 部分方程组，在l a g r a n g e 坐标系下建立了拉格朗目( l a g r a n g e ) 部分方程组。这样，我们一方面可以用具 有良好基础的分子动理学理论来描述( 计算) 颗粒问的相互碰撞，另一方面可在 拉格朗日坐标下来描述湍流的扩散特性，从而使得本章所提出的组合法适用于 解决具有各种颗粒特征的两相流场。以水雾为例，在冷态下，通过数值计算， 得到水平管内气雾两相流的雾粒脉动速度与时均速度之比在管横向( 即管径方 华南理工大学硕士学位论文 向) 的变化规律，气相和雾粒沿径向的轴向速度分布和相对颗粒浓度沿径向的 分布规律。这为进一步的研究奠定了基础。 关键词：超声雾化多相流气雾两相流 i l a b s t r a c t n o w a d a y st h ep e t r o l e u mf u e li sw i d e l yu s e d ，b u ti tp r o d u c e sag r e a td e a lo f w a s t e ，a n dt h ee n v i r o n m e n ti si n c r e a s i n g l yc o n t a m i n a t e d i fw eu s ea nu l t r a s o n i c t oa t o m i z ei t e s p e c i a l l yh e a v yo i lb e f o r ec o m b u s t i o n ，t h e r ew i l lb el i t t l ec h a n c et o p r o d u c ec o 、h c 、n o xa n d o t h e rs o l i d p a r t i c l ew a s t e ，b e c a u s e i tc a n f u l l y b u r n e d s oi nt h i sw a yw ec a l l g e tt h ea i mt h a tc o n t r o la n dd e c r e a s et h ew a s t e a m o u n t t h e l i q u i df u e lb e c o m e ss o m em i c r o nd r o p l e t st h r o u g ht h eu l t r a s o n i ca t o m i z e r f o rt h es a k eo fk n o w i n gt h ep r i n c i p l e sd u r i n gt h ec o u r s eo fd r o p l e tt r a n s p o r t i n g a n db u r n i n gt h a th o wt h ed r o p l e tt od e c a l e s c e n c e ，h o wt oe v a p o r a t e ，h o wt o c o m b i n e ，d i f f u s ea n dh o wt ob l o wu pi n t op i e c e s a l lt h e s ep r i n c i p l e sa r er e l a t e d w i t ht h em u l t ip h a s ef l o wt h e o r y t h e r e f o r ew e e x p a t i a t et h eh i s t o r yo f m u l t ip h a s e f l o w ，a n a l y s e sa n ds u m m a r i z et h er e l a t e dk n o w l e d g ea b o u t i ti nt h i sp a p e r ：g i v et h e g a sp a r t i c l et w op h a s ef l o wad e t a i ld e s c r i p t i o n ，a n dp o i n to u ti t sp o s i t i o ni nt h e s t u d yo fm u l t ip h a s ef l o w ；s u m m a r i z e t h eg a sp a r t i c l et w op h a s ef l o wm o d e l s ， a n dp o i n to u tt h a ti t ss t u d y i n gh a sg r e a tp r a c t i c es i g n i f i c a n c ei ne n g i n e e r i n ga n di t i st h ef r o n tf i e l do ft h em u l t ip h a s e ；f u l l ye x p a t i a t et h ec o n t e n to fm u l t ip h a s ef l o w a n di t su s i n gi no u rc o u n t r ye c o n o m y t h e r ea r et h r e ek i n d so f p h y s i c a l m o d e lo fm u l t i p h a s e f l o w ，t h a t i 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 em o d e i o nt h e b a s e o ft h es a m ep h y s i c a lm o d e l ，a l s ot h e r ea r ed i f f e r e n tm a t h e m a t i c sm o d e l s b e c a u s eo fd i f f e r e n ts t u d y i n go b j e c ta n dd i f f e r e n t r e s p e c t i n t h i s p a p e rw ef u l l y e x p a t i a t et w op h a s ef l o wm o d e li n c l u d i n gp h y s i c sm o d e la n dm a t h e m a t i c sm o d e l ， a n dg i v et h e i rs t r o n g p o i n ta n ds h o r t c o m i n g i nt h i sp a p e rw eb u i l tt h eg a sm i s tt w op h a s ef l o wa p p a r a t u si nah o r i z o n t a l p i p eo f3 0 m md i a m e t e r t h eg a sp h a s e i s n i t r o g e n t h a ti s s u p p l i e db y ah i g h p r e s s u r e s t e e lf l a s k t h es t e e lf l a s k p r e s s u r e i s c o n t r o l l a b l e ，s ow ec a ng e t d i f f e r e n ti n i t i a lg a sv e l o c i t y u n d e rc e r t a i nv e l o c i t yt h eg a sp h a s en i t r o g e nf l o wi n ab l e n dc h a m b e rw h e r et h el i q u i dp h a s ei sa t o m i z e db yu l t r a s o n i c t h eu l t r a s o n i c a t o m i z e rw o r k e du n d e r r a t i n gv o l t a g e5 0 v a n de l e c t r i cc u r r e n t5 0 0 m a ，i tf o r m s ah i g hf r e q u e n c ya l t e r n a t i n gc u r r e n tt h a tm a k et h es l i c ev i b r a t ea tah i g hf r e q u e n c y ， l i t 华南理工大学硕士学位论文 s oi tf o r m su l t r a s o n i cw a v e ，w h i c h p r o d u c e sc e r t a i nd i r e c t i o ni n t e n s i t yo fp r e s s u r e ， c a v i t a t e st h el i q u i dp h a s ea n dg e n e r a t e sl i q u i dn e g a t i v ei o n ，f i n a l l yb e c o m el i q u i d m i s t t h e l i q u i d m i s tc o m b i n e sw i t ht h e n i t r o g e ng a sp h a s e i nt h e c h a m b e r a f t e r w a r dt o g e t h e rf l o wt h eh o r i z o n t a lp i p e m e a s u r et h e m i s tp h a s e m a s su n d e rd i f f e r e n tg a sp h a s ei n i t i a lv e l o c i t y e q u a t i o n s w e r eb u i l tu n d e rt h ee u l e r i a nc o o r d i n a t ea n dt h e l a g r a n g e c o o r d i n a t e t h e no n eh a n dw ec a l l p o s s e s m o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o dm e r i t w h i c hd e s c r i b e s ( n u m e r a t e ) v e r yw e l li np a r t i c l et op a r t i c l ec o l l i s i o n ，o nt h eo t h e r h a n dw ec a nd e p i c tt h ed i f f u s i o nc h a r a c t e ro ft u r b u l e n c ef l o w ，s ot h i sw a ya d a p t s t ot w of l o wf i e l dw i t hk i n d so fp a r t i c l ec h a r a c t e r t a k e t h ew a t e rm i s tf o r e x a m p l e ，w i t h o u tr e g a r dt o t h eh e a te x c h a n g e ，b yc o m p u t e rs i m u l a t i n g ，w eg e t s o m el a w si nt h eh o r i z o n t a l p i p eg a s m i s t t w o p h a s e f l o wa sf o l l o w s ：t h e p a r t i c l ep h a s er a t i oo ff l u c t u a t i n gv e l o c i t yt o m e a nv e l o c i t y ，t h eg a sa n dp a r t i c l e p h a s e a x i a l v e l o c i t y d i s t r i b u t i o na n dt h e p a r t i c l e r e l a t i v ee o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o na l o n gd i a m e t e r t h es t u d yi nt h i sp a p e rl a yaf o u n d a t i o nf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ca t o m i z e ，m u l t i p h a s ef l o w ，g a s m i s tt w op h a s e f l o w i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：罐牛弓 日期：叩年月旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密哦 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 磺峰弓 勿拈街 日期：研年b 月1 0 日 第一章绪论 1 i 研究背景 第一章绪论 自然界中的物质有三态：气态，液态和固态。所谓多相流就是指气、液、 固这三相所组成的流体。多相流动( m u l t i p h a s ef l o w s ，包括：两相流t w o p h a s ef 1 0 w s ) 广泛存在于自然界和应用于工业、农业、国防环保等各个领域， 如：自然界的雨雪运动、风沙运动、冰雹运动等都为多相流动，工业领域中的 石油开采、煤炭开采及其运输加工等过程、火箭尾部射流运动等等均为多相流 运动。近5 0 年来，随着人类对自然界研究的深入发展和工业生产领域的广泛 应用，多相流动现象越来越引起人们的重视，人类的社会实践活动迫切需要研 究和掌握多相流运动的规律，从而更好地为社会实践服务。多相流理论正是在 这样的社会和自然背景下，在最近的5 0 年内迅猛发展起来的，它是一门集流 体力学、传热传质学、物理化学、燃烧学等多门学科理论的交叉新兴学科，即 是一门研究不同相态或不同组份的物质同时存在且有明确分界面时的流体动 力学以及其传热传质过程规律的科学眦1 。 近三十年来，多相流技术己渗入到我国国民经济建设的各行各业，并在一 些领域成为关键性技术和尖端技术。因此，多相流研究对指导工程实际具有广 泛、深远的重大意义，已得到了各国政府和学者的普遍重视。正是在这样的历 史和现实背景下，近几十年来( 特别是近二十年来) ，多相流研究有了迅猛的发 展，建立了相对完善的理论体系，在理论研究和指导工程实际方面取得了丰硕 的成果。 众所周知，两相流研究是多相流研究的基础和前沿，两相流研究又主要以 气粒两相流研究为代表，其中高浓度( 密相d e n s e - - p h a s e ) 气粒两相流研究是当 前两相流研究的主要课题。目前，有关高浓度气粒两相流的研究和报导仍比较 少，突出的问题主要表现在如何考虑颗粒与颗粒之间、颗粒与流体之间的相互 作用方面”。 研究两相或多相流有两类不同的观点：一类是除流体作为连续介质外把颗 粒群当作拟连续介质或拟流体，设其在空间中有连续的速度和温度分布及等价 的输运性质( 粘性，扩散，导热等) ：另一类是只把流体作为连续介质而把颗粒 群作为离散体系，探讨颗粒动力学，颗粒轨道等。考虑两相流介质为连续介质， 描述两相流的运动可以采用单流体模型、双流体模型或多流体模型。如果两相 的速度总是很接近，混合物平均速度基本上能代表每一相的运动，那么可以用 华南理工大学硕士学位论文 普通流体力学的方法来处理这类两相流，即单流体模型，这些都是平衡流，相 对来说比较简单。在两相流中两相的速度有显著的差异，表现出显著的非平衡 流动特性，必须采用双流体模型或多流体模型。 考虑两相流介质中一相为离散体系，如颗粒相、气泡等，描述他们的运动 的各种模型是从不同角度对两相间作用和颗粒相内作用进行近似和简化，这都 是源于两相流动的非平衡性，两相流动的非平衡性的复杂性决定了相间作用的 复杂性，对于非平衡流动，最重要的参数是两相间弛豫过程的特征时间，即弛 豫时间，它表征两相间相互作用的强弱程度。 早在1 9 世纪就有关于明渠水流中泥沙沉降和输运的两相流动研究 3 1 ，但 是两相流的系统研究是从二十世纪4 0 年代才开始的。二十世纪6 0 年代以后， 随着工业部门各行各业对多相流运动的广泛应用和实践指导的需要，以及研究 条件的成熟，越来越多的学者开始对关于描述多( 两) 相流运动规律的基本方程 进行探讨研究，并偿试着对实际问题进行解释、验证和指导，从而逐步出现了 许多关于多( 两) 相流理论研究的论文和专著。 经过半个多世纪的发展，多相流研究领域更加广泛、内容更加丰富，其实 验和理论研究手段更加成熟，取得了巨大的研究成果。随着研究手段的发展、 完善和进步，多相流研究己从研究简单的实验流场发展到研究真实的实际流 场。众多学者针对各个工程实际，提出了各种多相流研究的物理模型和数学模 型，并用所建立的数学模型进行求解，将其所得的理论( 数值) 结果与实验测试 结果进行比较，以验证所建立的物理模型和数学模型的正确性和准确性。主要 的物理模型有：连续介质模型、离散颗粒模型和流体拟颗粒模型；数学模型有：k s 模型、颗粒动力学模型、涡动力学模型、拟序结构模型、颗粒轨道模型等 等。 但是，正如我们所知，由于多相流动的多样性和复杂性，人们对其运动中 的物理机理和所表现出来的特性了解不够全面和准确，导致目前多相流理论研 究虽然模型众多，但有一个共同点，即各理论模型对实验数据、经验公式的依 赖性大、普适性差，这在某种意义上阻碍了多相流理论研究的深入发展。 气粒两相流动是多相流动的组成部分和理论研究的基础。气粒两相流动广 泛地存在于自然界和许多工业部门中( 如：自然界中的下冰雹、下雪和近年来多 发的沙尘暴等现象，在工业部门诸如航天、化工、能源、建材、冶金和环保等 各个领域都有广泛的应用) ，且在物理概念上易于理解，和在理论研究中易于简 化模型进行研究和应用。因此，近几十年来，气粒两相流运动引起了理论界和 工程研究部门的广泛重视，气粒两相流研究是多相流研究的基础，代表了当前 多相流研究的前沿。尤其是高浓度气粒两相流动的研究正处于起步阶段，有关 这方面的研究报导还比较少，对其流动特性及传热过程的深入研究具有重要的 第一章绪论 理论和现实指导意义。 1 2 多相流概述 1 2 1 多相流理论 目前，多相流研究正处在从基础研究向纵深研究交叉发展的阶段，即多相 流基础理论的成熟与完善促使人们转向多相流纵深层次的研究，多相流纵深层 次研究所取得的成果进一步完善了多相流基础理论。但是，由于多相流研究的 各种物理模型和数学模型正在不断涌现、发展和完善中，因此有关多相流理论 仍处在发展和完善的阶段，有关多相流概念还存在一定的交叉和模糊。本节从 物理学概念出发，对多相流概念进行澄清，并对多相流研究历史进行回顾。 1 2 2 多相流中相的概念 多相流运动广泛存在于自然界和工业应用领域，如自然界的风沙运动、雨 雪天气、泥沙流动等现象。目前对多相流的划分可分为狭义和广义两种概念， 前者是针对在物理学上物质有气、液、固和等离子体四态( 相) 而提出来的，而后 者是根据物质在流动中的不同运动特性( 不同的动力学性质) 来划分的”1 。 显然，前者在物理学上易以理解，是指在流体运动中在物理概念上存在着 多于两种( 包含两种) 流体介质的流动现象。通常所指的多相流现象有：气一固两 相、液一固两相、气一液两相组成的两相流动，气一液一固三相、油一气一水 三相、气一油一水一固四相等三相或多相组成的多相流动。 而后者，是指在理论研究中，一些学者不但把不同的运动介质称作不同的 相，而且把同一介质但有不同动力学性质的同一物质也当作不同的相来处理。 如许多学者把包含几种颗粒粒径的气体一颗粒流也称为多相流。 在这两种概念中，对“相”字的理解分别为物理学中的相和动力学意义上 的相，因而在理论研究中多相流概念存在一定的交叉，容易引起概念混乱。我 们认为，动力学意义上的“相”主要是为了理论研究时建立物理模型和数学模 型的需要，可用“一种( 或一组) 流体”来代替“一相”，使多相流概念中的“相” 与物理学中的“相”统一起来。这样，我们可根据研究需要而将“包含几种颗 粒粒径的气体一颗粒流运动”称作为“气一固两相流运动”或“气一固两相多( 组) 流体运动”，相应的数学模型为“气一固两相流模型”或“气一固两相多( 组) 流体模型”。这样，许多以多相研究来命名的多( 组) 流体流动可归八两相流动研 华南理工大学硕士学位论文 究。 还有一些作者把一部分多( 两) 相流体称作为“非牛顿流体”，从而把“多相 流”与“牛顿流体”、“非牛顿流体”混淆起来，这是另一种概念模糊。我们知 道，之所以将流体划分为“牛顿流体”与“非牛顿流体”是因为在描述流体动 量方程中计算流体各种应变力的需要，它的划分标准是：若流体的粘性应力与 应变率之间成正比，则称该流体为“牛顿流体”f 6 1 ；相反，如果流体的粘性应 力与应变率之间不成正比，则称该流体为“非牛顿流体”。显然，“牛顿流体” 与“非牛顿流体”的划分与“相”无关。事实上，大多数两( 多) 相混合物流体的 粘性应力与应变率之间不成正比，属于“非牛顿流体”。所以，对于多( 两) 相混 合物研究若不采用多( 两) 相流模型，则几乎都要采用“非牛顿流体”模型。 所以说，所谓把多相流体称作为“非牛顿流体”，实际上是说“多相流研究 中所采用的非牛顿流体模型”。“非牛顿流体模型”是多( 两) 相流理论研究中的另 一个方向，即多( 两) 相流研究中有“多( 两) 相流体模型”和“非牛顿流体模型” 两个方向。两个方向各有千秋，不能相互替代。如，在研究气一固两相流时， 由于我们要分别计算气相速度、固相速度、固相容积系数、质量流量等，因此 就不能用“非牛顿流体模型”；而对于像泥石流一类的多相流运动，我们更关心 的是多相混合物整体的运动状态和动力学特性，故可采用“非牛顿流体模型” 进行研究。 综上所述，对于多( 两) 相流概念中的“相”，本文建议应沿用物理学中的“相” 的概念：而多( 两) 相流研究可分为“多( 两) 相流模型”和“非牛顿流体模型”两 个方向，或称其为两种模型、两种方法。 1 2 3 两相流的与单相流的联系 流体力学的基本方程虽然也适用于两相流动，但在两相流中不仅要考虑各 相的守恒方程，同时还要考虑相间的作用，因此描述两相流的方程组要比单相 流复杂的多。 处理两相流问题有以下几种途径： 1 一条途径是类似于单相流的研究方法，从物理概念出发，或者用分析法， 或者从微分方程中得到描述某一特定两相流过程的一些无因次参数，然后根 据实验数据得出经验关系式。 2 另一条途径是根据所研究过程的特点，采用适当简化的假设，再从两相流 的基本方程中求得描述该两相流过程的函数形式，然后用实验方法定出方程 中的经验系数。该方法称为半经验方法。 3 第三条途径是首先确定两相流的流型，然后根据各种流型的特点分析流动特 4 第一章绪论 性，并建立关系式，这种方法称为两相流的流体力学方法。 在精确判断流型的前提下，采用根据各种特定流型建立的具有良好理论基 础的计算式可以有效地提高计算精度。在计算数学和计算机技术高度发展的今 天，基于流型的各种计算方法最终将取代现有的不考虑流型的较为粗糙的方法 6 1 。 从工程的观点来看，两相流研究的最终目的是求得在一定流动工况下的传 热和压降特性。两相流中的流型随物性( 重度、粘度、表面张力、传热系数等) 、 流动条件、物型及边界条件、热负荷及压力等的不同而变化。流型的变化使得 流动特性，如损失特性、传递特性等也跟着变化。而且一个流场中可能同时存 在几种流型，这给两相流的分析带来了极大的困难。例如在海洋油气开采过程 中，长距离管道油气混输是最经济的运输方式，但是仅依靠产出油气的自身能 量不可能运输到目的地，必须在管道上增加增压站。增压站的数量在一定的地 理条件下取决于管道的压降。经过长距离运输后油气管道中的温度降也是影响 混输过程的重要因素。上述参数的变化都极大的依赖于管道内的流体分布情 况，即流型。在实践应用中，通常只能根据实验得出的各种流型状态图，建 立流型变化的实验或半实验判别式。但到目前为止，这种方法还存在一些缺陷， 如精度不高，局限性较大，不同的流型图之间存在一些差别，至今还没有一个 得到一致公认的坐标系等等。 1 3 多( 两) 相流的研究现状 1 3 1 多相流的发展历史 如上文所述，多( 两) 相流广泛存在于自然界和工业部门，二十世纪7 0 年 代以后，世界发达国家对多( 两) 相流研究日趋重视，先后设立了国家级乃至世 界范围内的多相流专门研究机构( 中心) ，专家、学者们在多相流研究中取得了 丰硕的研究成果，对本国的工业、农业、国防、航天等领域做出了重大的贡献。 如：美国、德国、日本、前苏联等在二十世纪7 0 一8 0 年代相继建( 成) 立了各 种多相流研究中心或国家实验室。进入8 0 年代未9 0 年代初，这些国家又进入 到将相关研究中一t l , 、研究机构或高等院校进行跨地区全国范围、乃至世界范围 内的联合，并频频举办国家或国际多相流学术会议。如：1 9 8 7 年美国中西部 2 0 多所大学与阿贡国家重点实验室及工矿企业联合，成立了多相流研究所； 在日本成立了全国性的多相流学会等。可以说，近十年来，国际多相流学术活 动十分活跃，每年召开的国际学术会议就有1 0 多次；同时，据不完全统计， 华南理工大学硕士学位论文 目前国际上有关多相流的杂志、期刊己超过3 0 0 多种。 早在1 9 世纪就有关于明渠水流中泥沙沉降和输运的两相流动研究，但是两 相流的系统研究是从二十世纪4 0 年代才开始的。从二十世纪4 0 - - 5 0 年代，正真 研究两相流的学者较少，且对两相流的研究主要集中在实验观测和现象描述方 面。 二十世纪6 0 年代，越来越多的学者开始关心和研究两相流问题，但研究的 主要内容为一些简单的两相流运动的实验测试及其基本方程的研究。1 9 6 3 年， 在流化床研究领域中，d a v i d s o n 成功地运用两相概念，提出了著名的气泡模型 9 1 。 d a v i d s o n 气泡模型虽然形式简单，但由于当时能够解释流化床中许多重要现象， 从而引起了将两相流理论应用于流化床中气泡现象的研究的高潮，出现了大量 关于气泡的理论模型。1 9 6 7 年，在国际流态化研讨会上，经过许多学者对不同 模型的研究讨论，发现虽然各类模型都试图求解气( 固) 相速度、空隙率和压降等 物理量，但是它们的运动方程却有很大的差异，尤其是当颗粒相运动方程中存 在压力梯度项时会导致方程的初值问题病态。虽然我们现在知道，d a v i d s o n 气泡 模型和随后发展完善的各类气泡模型存在某些缺陷，但其对两相研究发展的巨 大推动作用是毋庸置疑的。 二十世纪7 0 年代，人们开始对些相对复杂的多相流动现象( 主要为管道内 的颗粒悬浮运动) 进行了大量的实验测试，并在流体力学、传热学等理论的基础 上，发展建立了多相流理论体系 i “。1 9 7 4 年，a r u n d e l 和h o b s o n 等利用多普勒激 光测速仪对立管流动中固相颗粒速度进行了测量。通过对立管流动的颗粒速度 的测量发现：对于层流流动，围相颗粒轴向速度沿管径呈抛物线型分布，并且 随着管道r e y n o l d s 数的增大，速度分布曲线趋于平滑，在管壁附近，粒径小的颗 粒比粒径大的颗粒滑移速度更大。1 9 7 7 年，b i r e h e n o u g h 和m a s o n 【i ”对垂直管道内 的颗粒悬浮流动进行了实验测试，得到了颗粒速度分布和沿轴向的脉动强度。 结果表明，在气体入口速度为1 4 m s 时，颗粒悬浮流动的湍流脉动强度比纯( 单) 流体流动更强，颗粒的碰撞作用占有主导地位。 二十世纪8 0 年代，人们对多相流的研究开始从相对简单的管道流动发展到 相对复杂的流化床流动和气固两相分离运动，从稀相( 低浓度) 流动向密相( 高 浓度) 流动发展，并在稀相流动研究的基础上，建立了密相流动的物理模型和基 本方程式。1 9 8 1 年，s a v a g e 等首先在类比稠密气体分子运动理论”2 1 的基础上，研 究了稠密颗粒流问题。随后许多研究者，j g c a m p b e l l t ”1 等进行了一系列的研究工 作，于1 9 8 6 年初步建立了颗粒动力学( k t g f ) 的理论体系。该理论的重要基础之 是提出了颗粒虚拟温度( t d ) ，它直接类比气体分子温度，其定义为：t d = u 2 3 ， 其中u 为颗粒脉动速度。从颗粒虚拟温度的定义可以看到，气体温度是分子运动 速度的量度，而颗粒温度是颗粒脉动速度( 强度) 的量度；分子运动是由自身的温 6 第一章绪论 度决定的，而颗粒运动是由外力或运动边界驱动的；分子碰撞不耗散能量，而颗 粒碰撞有能量损失。1 9 8 9 年，s i n c l a i r ( “1 等首先将颗粒动力学理论应用于充分发 展的立管流动，并进行了数值模拟，得到了数值解。 二十世纪9 0 年代，多相流研究十分活跃，研究内容从无源流场向有源流场 发展，刻划尺度从宏观特性向微观结构深入，研究空间从一维、二维流场向三 维流场发展，诸多学者纷纷提出各种物理模型和数学模型，使多相流理论体系 飞速发展和完善。19 9 0 年，d i n g 和g i d a s p o w ”1 发展完善了颗粒动力学理论，通 过引入速度分布函数m a x w e l l 函数0 次近似解，对气体鼓泡流化床内颗粒流动进 行了数值模拟，得到了流化床二维气泡流型。1 9 9 2 年，m i l l e r 和g i d a s p o w t 1 对循 环流化床内气固两相流动进行了实验测试，得到了气圃两相速度、固相质量流 量、固相容积系数等标准实验值，为气固两相流各类模型的数值模拟提供了参 照和验证依据。1 9 9 6 年，n i e u w l a n d 和s a m u e l s b e t 7 , 1 8 1 等修正了d i n g 年1 g i d a s p o w 的 速度分布函数，利用颗粒动力学理论对循环流化床内气固两相流动进行了数值 模拟，给出了颗粒速度等参数的分布，但模拟结果偏离m i l l e 午 1 g i d a s p o w 实验测 试值较大，这可能是在数值模拟时采用了不恰当的边界条件而导致的。 目前，在解决气液两相流问题时，通常可以应用一些经验公式。但是在研 究新颖或复杂设备的详细性能时，仅经验公式是不够的。而且由于气液两相流 问题固有的复杂性，现在对于有关气液两相流的流动机理还不是很清楚，对于 许多现象还存在观点上的分歧。所以两相流参数检测技术在国际上尚属一个急 待探索开发的领域。在科技发展日新月异的今天，两相流的参数检测也融入了 来自各个领域的先进技术，具体的表现为： 1 借助于各种新技术，如激光技术、微波技术、核磁共振技术、全息技术、纳 米技术等，研制高灵敏度、高可靠性的、小型甚至微型的传感器，用于两相 流参数的测量。 2 图像处理技术的发展，使得应用过程层析成像技术获取两相流介质的实时分 布图像成为可能。 3 微电子行业的迅猛发展使得计算机的数据处理能力、存储空间等每年以数倍 的速度增长，这使得在过去难以实现的一些构想成为现实。 4 新的信号处理技术应用于两相流参数的检测。 两相流过程是多变量的复杂过程，对其中的某些认识现在还没有达到统 一。运用新的信号处理方法与技术可以更清楚的认识两相流的本质特；应用数 理统计、过程辨识、参数估计和模式识别等理论和技术；进行两相流参数的软 测量将是一个很有前途的研究方向。 总之，近几十年来，多相流研究得到了空前的重视和迅猛的发展，各种模 型层出不穷 19 , 2 0 】。如：从流体组元( 方程组数目) 来看，可分单流体模型、双流体 华南理工大学硕士学位论文 模型和多流体模型：从研究的尺度上看，可分为宏观连续模型和微观连续模型 从研究的着眼点来看，可分为颗粒动力学模型、涡动力学模型、k s 模型、颗 粒轨道模型等等。各种模型各有长处，也各有短处，但普适性均较差，有待广 大学者进一步发展和完善。同时，目前在多相流研究中，还存在着研究手段上 的局限，如颗粒轨道模型由于耗机时问题而无法计算真实流场等。 1 3 2 我国的多相流研究现状 多相流是在流体力学、传热传质学、物理化学、燃烧学等学科的基础上发展 起来的一门新兴学科，对国民经济的发展有十分重要的作用，它广泛应用于能 源、动力、核反应堆、石油化工、制冷、低温、环境保护及航天技术等许多工 业部门。因此，尽管多相流在国际上是一个只有几十年发展历史的新兴学科。 但由于它在许多工程技术领域都有着重要的应用，所以发展速度很快，尤其是 在本世纪7 0 年代以来原子能电站及航天工业的迅速发展。动力工业及石油化学 工业中高参数的引入，以及对环境保护的日益重视，大大地促进了多相流理论 的发展。 我国多相流研究起步于二十世纪5 0 年代后期，真正得到理论界重视并研究 推广应用是在二十世纪8 0 年代，当时研究人员主要来自高校( 如：清华大学、西 安交通大学和浙江大学等) 和科研机构( 如中国科学院力学研究所、化学研究所 等) 。研究的主要内容有：两相流动及其传热过程的基础研究，流化床、燃煤锅 炉气固两相流流场及流动特性研究，气固两相管内流动研究，以及在高压下进 行汽液两相流动与传热特性的研究等。通过众多学者的共同努力，取得了大量 的实验测试数据和理论研究成果，并在一些方面达到和具有国际领先水平。 近十几年来，我国对多相流研究也十分重视，从1 9 9 0 年开始先后批准成立 了多相流国家重点实验室和工程研究中心，使我国多相流研究有了更快的发展。 如：1 9 9 0 年在西安交大成立了“动力工程多相流国家重点实验室”、在清华大学 成立了“煤的高效低污染燃烧国家重点实验室”等多个国家重点实验室；1 9 9 2 年起设立了“国家水煤浆工程技术研究中心浙江大学燃烧技术研究所”等首批7 个国家工程技术中心。1 9 8 9 年我国在西安交大还举办了“第二届多相流与传热 国际会议”，我国台湾也举办了两相流体力学国际会议。中国力学学会、中国工 程热物理学会也成立了有关多相流研究的专业委员会。 此外，随着冶金、宇航、大型微电子设备和大型计算机的发展，对冷却技 术要求愈来愈高，利用相变传热可以获得很高的冷却效果，例如用射流冲击形 成汽化冷却或蒸发冷却使散热强化的技术正在受到各国的重视。 在能源工业方面。众所周知，能源工业是我国经济建设的重点之一。随着 8 第一章绪论 工农业生产的迅速发展，我国己从能源出口国成为能源净进口国。因此，提高 能源利用效率，不但将直接影响我国现阶段国民经济发展速度，而且将成为我 国国民经济能否长期稳定发展的重要因素。要提高能源利用效率，主要是依靠 能源、动力、石油化工和各行各业的生产力的发展，尤其是与之相关的科技进 步，而与之相关的科技进步的关键问题之一是多相流问题。 在现代化大型石油化工企业，如大型合成氨及大型乙烯装置中。利用废热 锅炉来回收高温工艺气的热量生产高压蒸汽的过程中存在着大量两相流与传热 方面的课题。在炼油、化工、制冷等系统中。存在着大量两相流传热强化的课 题，在油田开采和稠油注汽开采等过程中，存在着许多气、水、油三相流混输 与分离的问题。 近年来正在发展流化床燃烧技术，煤的流化过程及流化方式的研究均是气 固两相流的重大课题。在化学工业的流化床反应器中也存在着大量气固两相 流问题。气力输送技术是气固两相流研究的重要应用，除尘技术、大气中尘粒 的运动规律等也是气固两相流的重大研究课题，对环境保护有重要意义。此外， 蒸汽燃气联合循环是电力工业重要发展方向之一，高温除尘及叶片磨损是急需 解决的关键技术问题。 火力发电是我国目前主要的电力来源，如何通过对煤粉燃烧炉内多相流流 动及其传热的研究，改善锅炉的形状和结构设计，改善炉内煤粉的流动分布， 从而提高煤粉的燃烧率，增强燃烧的稳定性，加快炉热与水蒸汽的热量交换等 等，这些都涉及到多相流问题。如：我国的火力发展正向高温高压大机组的方 向发展，其中1 7 m p a 级3 0 0 m w 币i 6 0 0 m w 级亚临界压力机组己成为电力工业的主 力机组，并正在研究发展超临界变压运行的2 5 m p a 级6 0 0 m w 的机组。深入研究 汽液两相流的水动力特性及其传热恶化规律，对保证锅炉水冷壁的安全可靠性 具有重要意义。再如：大型汽轮机中末级叶片的设计和核电站汽轮机中湿蒸汽 两相流问题己成为汽轮机发展的关键课题。 我国正在发展建造的核电站，其中也存在许多两相流动及其传热问题，深 入研究两相流及其传热的特性对水冷反应堆的安全稳定关系重大。气液两相流 的水动力特性及其传热研究同样是核电站发展的关键课题之一心。 在石油开采、加工的各个过程也存在着大量的两( 多) 相流及其传热问题。如： 在石油开采过程中，存在着大量的气( 汽) 、水、油等多相流动和多相分离的问题； 在炼油等石油浅、深加工过程中，存在着两( 多) 相流传热强化等课题。 煤的开采、加工、干燥、运输及煤粉混合和分离的过程，都是气固两相流 研究的重要课题。近年来发展完善起来的流化床燃烧技术，更是气固两相流及 其传热研究的主要课题。 近年来频繁出现的沙尘暴等天气现象，是天气预报中要重点解决的两( 多) 9 华南理工大学硕士学位论文 相流研究课题。 另外，在治金、航天、大型微电子设备等领域，对冷却技术要求越来越高， 从而使利用射流冲击产生相变形成汽化冷却或蒸发冷却的理论研究受到了政府 和学术界的广泛重视。 由此可见，多相流动已渗入到国民经济的各个领域中。随着人们对自然界 的深入研究和开发，随着社会生产力发展和社会实践的需要，多相流及其传热 过程的研究将会得到更广泛的重视和应用，其研究领域将会更加广泛、更加深 入，其研究手段将更加成熟和可靠，其理论将会得到更快的完善和发展。所有 这一切表明，多相流研究得到了我国政府和学术界的高度重视，多相流研究是 当今流体力学研究的重点和前沿之，它将在工业、农业、航天等领域的经济 建设中发挥越来越重要的作用。 1 4 课题的提出 十九世纪中叶，原油的钻探和提炼技术取得成功，工业上逐渐扩大了液体 燃料的应用。从石油提炼而成的液体燃料产品在着火、燃烧强度及燃烧过程控 制等方面相对固体燃料有着明显优势。自上世纪末本世纪初发明汽油机及柴油 机后以及后来发明燃气轮机及涡轮喷气机后，液体燃料在工业应用中进一步得 到推广，人类对其燃烧机理及过程的理论和试验研究也因之迅速发展。 根据大量的实验结果和理论研究证实心。2 ”，液体燃料的燃烧反应发生在离 液相表面的一定距离之外，也即液体燃料的燃烧是一个先蒸发而后在气相中燃 烧的过程。液体燃料的燃烧速率一般地说取决于其蒸发速率，而液体的蒸发速 率取决于其表面积的大小。相同体积的液体其表面积越大，其蒸发速率越高。 在工