两相运动现象

两相运动现象前言：“相”通常是指某一系统中具有相同成分和相同物理量、化学性质的均匀物质部分，也就是物质的单一状态。“两相”或“多相”通常是指气-固、气-液、液-固系统，但是，就动力学的含义而言，不同速度、不同温度和不同尺度的粒子或液滴也可以是不同的相。一般而言，各相之间应该有明显的分解面。本书的这一章节主要介绍自然界和工业生产过程中存在的两相运动现象并进行说明，然后概要解释了两相与多相研究的专用术语和基本特性参数。并对气-固两相流动给出了质量、动量、和能量的守恒方程。关键词：两相流、连续相方程、粒子与流体的相互作用。正文：一，概念：（1）相的概念：某一系统中成分相同，物化性质相同的均匀物质部分。（2）两（多）相流：必须同时考虑物质两（多）相共存且具有明显相界面的混合物的特殊流动。（3）质量流量（Q）：单位时间内流过通道总流通截面积的流体质量。两相流总的质量流量是各相质量流量之和，即12QQQ。（4）质量流率（q）：单位流通截面积上的质量流量，/qQA。多相系统的加工和处理过程：（1）喷雾干燥：许多工业产品都是通过喷雾干燥得到的，如食品、清洁剂、药品等。这种工艺是先将液体物质雾化，然后再通过高温气体使其干燥形成粉末。（2）离心分离：流体与固体粒子的分离是气-固两相流的重要应用之一。（3）气力输送：气力输送广泛地应用于工业中，如水泥、粮食、金属粉末、煤等的运输，其优势有连续运行、安装灵活、管道放置的任意性。（4）流化床：流化床是工业中多相流的一种重要装置，它包括圆筒，多分布板等。其技术广泛用于化工中，如煤的气化、燃烧、液化，以及有机物、生物和有毒废物的处理等。二，专用术语和基本特性参数：（1）质量流量和质量流率：指单位时间流过通道总流通截面积的流体质量，用Q表示；各相的质量流量分别用Q1，Q2表示，所以有：21QQQ；质量流率是指单位流通截面积的质量流量，用q表示，截面积为A，则有Q/Aq/AQq11/AQq22；介质含量：设气体-固体粒子混合物的体积为V，质量为M，其中气体的体积为Vg，质量为Mg固体粒子体积为Vp，质量为Mp；粒子数为N。则气体质量占两相混合物质量的分数为质量含气率ζ，则gpggMMMMMζ所以固体粒子质量含固率gpppMMMMMζ1相应的，气体体积占两相混合物体积的分数为——容积含气率gpgdVVVVVαg。粒子-流体的相互作用单粒子在流体中的受力分析所谓的阻力是流体对运动粒子的粘性力和压力的合力。静止粒子在速度为u在静止流体中运动时所受作用力。对于匀速、等温、不可压缩及无限大流场的实际流体，当单粒子在流体中运动且具有相对速度（pfuu）时，由于流体的粘性，在粒子表面有一粘性附面层。粒子受到的流体阻力可表示成；)u(uuuAρC21FpfpfCDD其中cρ表示连续相的密度，DC表示阻力系数，fu和pu表示流体和粒子的速度，A表示沿相对速度方向的投影面积.通过实验得到的阻力系数主要是Newton公式及标准阻力曲线。vduuRppfep在流体-粒子相对速度很低的情况下，雷诺数很小惯性力远远小于粘性力，Stokes给出阻力系数的分析解，即pDCeR241Rep当颗粒雷诺数逐渐增大时，Oseen近视地考虑惯性项，得到阻力系数为ppDCeeR1631R24)5(Rep随着颗粒雷诺数继续增大时，Newton对球体以很大速度在不可压缩粘性流体中做匀速运动进行了实验，得到阻力系数为44.0DC500peR5102非稳定力如果流体中的粒子处于加速运动的状况，则流体与粒子讲的相对加速度会产生不稳定的力。相对加速度产生的力可分成两部分，即虚拟质量力和Basset力：虚拟质量力与粒子-流体相对加速度方向相反，其表达式为：)(6213dduddudFpgpgum对于气固两相流，气体密度远远小于粒子密度，所以虚拟质量力对于惯性力来说可以忽略Basset力由于流体表面的附面层不稳定，使粒子受到受到一个随时间变化的流体作用力，而且与粒子的加速历程有关，其大小为：,21,2)()(23duudtddFpgggpbasset不均匀流场对粒子的作用由于流体速度和压强不均匀性而作用于粒子上的力称为不均匀流场力，包括压强梯度力和速度梯度力。压强梯度力：在有压强梯度的流动中，由于粒子周围流体局部压力梯度的存在，总有压强的合力作用在粒子上。其大小为：dspnFscp)(.利用高斯定理得pdFpp63可见该力的大小等于粒子的体积与压强梯度的模的乘积，方向与压强梯度相反。升力:对在流动流体中的粒子而言，由于流场中出现速度旋度，流体将对粒子产生一种与相对速度垂直的力，称为升力。一类是Magnus一类是滑移——剪切升力单粒子的运动方程建立粒子运动方程Fddumpp=gmuufdppgpc)(3其中24RepDCf粒子云与流体的相互作用实验测量表明，流体流过静止不动的球形粒子层，流体在单位长度流动方向上受到的阻力为DuuuuDuuLpcpgpgcdcpgcd)(75.1)(150222定常条件下，容积LA全粒子作用于流体的合力必然等于压降乘以流动的截面积，即DLFnApA最后整理得rcdfeR0972.033.8气-固两相流动守恒：（1）流场的统计平均方法：a.12QQQ时间平均法：对流场中某点流场性质求取一段时间的平均。b.空间平均法：空间平均值通常采用某一体积范围内的平均值。c.系统平均值：系统在某给定时刻处于某特定位置的概率。（2）准一维两相流的守恒方程准一维流动是指流动仅沿某一方向性质有所改变的流动。连续相的连续性方程：0ccccuAAx连续相的动量方程：22211NcccccckkkVuuAuAmuF（3）能量方程根据热力学第一定律，控制容积内流体能量流动与累积符合以下规律：周围环境加给控制容积的热流量－控制容积对周围环境的做功量＝因流体流动而流入控制容积的能量流量－因流体流动而流入控制容积的能量流量＋控制容积内能量的聚集率。