哈工大多相流体力学讲义

多相流体力学讲义市政环境工程学院《多相流体力学》教学内容及要求课程名称：多相流体力学英文名称：Multi-phaseFluidMechanic学分：2总学时：36开课单位：市政环境工程学院建筑热能工程系授课对象：水力学与河流动力学专业研究生、供热供燃气通风及空调工程专业研究生课程要求：必修课、任选课、先修课程：流体力学、传热学、工程热力学参考教材：（1）《两相与多相流体动力学》郭烈锦编著，西安交大出版社（2）《两相流体力学》孔珑主编，高等教育出版社；（3）《两相流体力学》王慕贤主编，哈工大出版社,（4）《两相流与沸腾换热》鲁钟琪编著，清华大学出版社；一、本课程的性质、教学目的及其在教学计划中的地位与作用多相流体力学及其测量在动力、化工、石油、制冷、宇航等一系列工程中均得到重要应用。多相流体力学是一门较为年轻的学科，是流体力学的一个重要分支，至今只有数十年的历史。主要研究气液、液液、气固、液固、气液固或气固液等多种流体在管内或管外流动时（有换热的或无换热的）的流动型态、流动阻力、流动稳定性、多种流体的混合、分离和在并联管中的分配均匀性等问题。对于这些流动机理及多相流体测量技术均属国际有关前沿课题，有广阔的发展空间和创新领域。对于发展现代或未来的创新工程具有重要的理论和实用意义，并可取得重要经济效益。本课程为水力学专业研究生的必修课、建筑环境与设备工程专业重要的选修课课之一，主要用于增强学生的专业理论水平，拓宽学生的知识面，了解本领域的国内外研究动态，提高科技创新能力，训练学生利用所学理论解决实际工程实际的能力和原始创新能力。作为流体力学的一个分支，本课程以经典流体力学的基本原理为理论体系，既有严密的理论分析，又有实验研究。充分体现了为工程服务的理论联系实际的工程流体力学类课程的基本性质。通过本课程的学习，可使学生掌握两相共存时流体力学中基本理论、基本概念，以及在土木工程领域的具体应用以及表现形式；了解国内外研究动态；在多相流领域寻求科技创新点。二、本课程的主要内容，各章节内容及学时如下表：时数教学(授课或讨论)内容4第一章绪论1．1两相与多相的定义与分类1．2多相流体力学的发展史1．3多相流的研究和处理方法1．4国内多相流领域的昀近研究课题1．5多相流中的专用术语及常见参数4第二章多相流相场空间结构2．1概述2．2相速度和相含率分布1、微分分析法2、积分分析方法2．3流型及其转变特性1、气液两相流流型及流型图2、流型转变界限积机理4第三章两相流的基本方程3．1均相定常一维流动基本方程3．2分相一维定常基本方程3．3解析模型基本方程（二流体模型）3．4两相流的模化与准则特性方程4第四章两相流的压降4．1汽液两相流动量方程的积分1、均相流积分2、分相流积分4．2全液相折算系数、分液相折算系数、分气相折算系数4．3气液两相的截面含气率1、一维二速度模型2、二维一速度模型3、二维二速度模型4．4汽液两相流压降的经验方法4第五章气液环状流动的解析分析5．1概述5．2三角关系式及其简化5.3摩擦压降与空泡率的关系5．4液体夹带5．3摩擦压降的计算4第六章气固、液固两相流6．1固体物料颗粒的特性1、颗粒在流体中的沉降与悬浮2、固体颗粒的粒径、粒度分布6．2固体颗粒床的流体力学原理1、固体颗粒床的分类2、均匀圆球颗粒固定床的流体力学原理3、实际物料固定床的厄贡公式4流化床的流体力学原理46..3气力、水力输送的基本方程与基本概念1、气力输送的基本工作参数2、作用在颗粒上的力3、水平管气力输送的流型4、稀相输送时颗粒群在直管中运动微分方程6.4气力、水力输送能量损失估算6.5固体颗粒在流体中的沉降分离与旋流分离4第七章两相流动的测量技术与实践7.1汽液两相流的测量7.2气固两相流的测量7.3多相流测量实践4针对课堂讲授内容的总结，问题讨论、教学效果探讨及答疑备考三、本课程的其他教学环节无。四、考核方式成绩为百分制。考试内容基本覆盖全部授课内容。第一章绪论1.1两相与多相的定义与分类两相流就是指必须同时考虑物质两相共存且具有明显相界面的混合物流动力学关系得特殊流动问题。在不同的学科中，根据研究对象的不同特点，对相各有特定的说明。比如物理学中，单相物质的流动称为单相流，两种混合均匀的气体或液体的流动也属于单相流。同时存在两种及两种以上相态的物质混合体的流动就是两相或多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等来区分，即不同的化学组成、不同尺寸和不同形状的物质都可能归属不同的相。在两相流研究中，把物质分为连续介质和离散介质。因为颗粒相可以是不同物态、不同化学组成，不同尺寸或不同形状的颗粒，这样定义的两相流不仅包含了多相流动力学中所研究的流动，而且把复杂的流动概括为两相流动，使问题得到简化。此外还有动力学意义上的相及物理上的相。自然界和工业过程中常见的两相及多相流主要有如下几种，其中以两相流昀为普通。1.气液两相流气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。它又可以分单组分工质如水—水蒸气的汽液两相流和双组分工质如空气—水气液两相流两类，前者汽、液两相都具有相同的化学成分，后者则是两相各有不同的化学成分。单组分的汽液两相流在流动时根据压力和温度的变化会发生相变，即部分液体能汽化为蒸汽或部分蒸汽凝结成液体；双组分气液两相流则一般在流动中不会发生相变。2.气固两相流气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。严格的说，固体颗粒没有流动性，不能作流体处理。但当流体中存在大量固体小粒子流时，如果流体的流动速度足够大，这些固体粒子的特性与普通流体相类似，即可以认为这些固体颗粒为拟流体，在适当的条件下当作流体流动来处理。引入拟流体假设后，气固两相流动就如同两种流体混合物的流动，可以用流体力学、热力学的方法来处理问题，使两相流的研究大为简化。又由于其假定的前提，使用拟流体假设时要特别注意适用条件。处理颗粒相运动时，某些方面把其看作流体一样，但另一些方面则必须考虑颗粒相本身的特点。3.液固两相流液体和固体颗粒混合在一起共同流动称为液固两相流。如工程大量使用的水力输送等。4.液液两相流两种互不相溶的液体混合在一起的流动称为液液两相流。油田开采与地面集输、分离、排污中的油水两相流，化工过程中的乳浊液流动、物质提纯和萃取过程中大量的液液混合物流动均是液液两相流的工程实例。5.气液液、气液固和液液固多相流气体、液体和固体颗粒混合在一起的流动称气液固三相流；气体和两种不能均匀混合、互不相溶的液体混合物在一起的共同流动称为气液液三相流；两种不能均匀混合、互不相溶的液体与固体颗粒混合在一起的共同流动称为液液固三相流。1.2多相流体力学的发展史18世纪中叶瓦特发明蒸汽机以来，工业事故的时常发生促使人们研究锅炉内的水循环和传热问题。早在1877年Boussinesq就已经较系统地研究明渠水流中泥沙的沉降和输运。19世纪末和20世纪初，已经有相关论文的发表，有的甚至论及了气液两相流体流动时发生的脉动问题。1910年Mallock研究过声波在泡沫液体中传播时强度的衰减。1920~1940年间，发表了有关气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流动问题的经典性研究论文。两相流的名词在1949年已见诸文献。50年代后，随着动力工业中高温高压参数的引入和宇航工业及商用核电站的发展，大量有关气液两相流与传热的研究论文开始出现，有关两相流边界层、激波在两相混合介质中的传播、空化理论、流态化技术、喷管流动等方面的研究论文也显著增加。从1948~1949年Lokhart和Matinelli等人先后提出气液两相流摩擦阻力计算的Lokhart—Matinelli参数及经验方法到1961年Streeter主编的《流体动力学手册》用专门一节介绍两相流。20世纪60年代后，越来越多的学者从不同的家度探索了描述两相流运动规律的基本方程。因此，两相流体力学作为一门独立的学科可以说已经形成，并正在迅猛发展中。但总的来说，两相流动力学的理论还很不成熟，尚处于发展初期，很多方面仍然停留在不同传统行业中特定条件下的经验总结，都还依赖于经验数据，而且数据的分散性还很大。故而可以说要使两相与多相流动真正成为一门独立成熟的科学，还有很艰难很遥远的路程要走。1.3多相流的研究和处理方法与普通流体动力学类似，研究两相流问题的方法可以分为理论研究和实验研究两方面。由于许多两相流动现象、机理和过程目前还不甚清楚，许多工程设计都只能依靠大量观察和测量建立起来的经验关系式，因此，实验研究与测量在两相流领域目前仍占据着无可替代的首要地位。从理论分析方法来看，仍然存在微观和宏观两种观点。微观分析法就是从分子运动论出发，利用Boltzman方程和统计平均概念及其理论，建立两相流中各相的基本守恒方程。微观分析法可以在描述流动问题上有许多概念上的优点，可以比宏观的连续介质理论给我们更多的知识，但由于物理上和数学上的许多困难，目前还不能使用分子运动论来处理任何实际流动问题。宏观分析法就是以连续介质假设为基础，将两相流中各相都视为连续介质流体，根据每一相的质量、动量和能量宏观守恒方程以及相间相互作用，建立两相流的基本方程组，再利用这些两相流基本方程去研究分析各种具体的两相流问题。从宏观观点分析两相流的方法又可以分为3类。1.扩散模型法即假定相互扩散作用是连续进行，其基本观点是：（1）两相流混合物体中的每一点都同时被两相所占据；（2）混合物的热力学和输运特性取决于各相的特性和浓度；（3）各相以自己的质量速度中心移动，相间相互扩散作用反映在模型内。2.有限容积法假定过程处于平衡状态，可用平衡方程式进行描述，基本方法是：（1）认为流动是一维的；（2）对一个有限容积写出质量、动量和能量守恒方程；（3）守恒方程即可按混合物写出，也可按单独相列出。3.平均法假定过程处于平衡状态，用平均的守恒方程进行描述，类似低通滤波的方法。上诉3种方法的共同点就是不考虑局部的和瞬时的特性，仅考虑相界面上流体微粒集中的相互作用，即宏观动力学。1.4两相流的课题研究本课程主要研究气液、液液、气固、液固、气液固或气固液等多种流体在管内或管外流动时（有换热的或无换热的）的流动型态、流动阻力、流动稳定性、多种流体的混合、分离和在并联管中的分配均匀性等问题。对于这些流动机理及多相流体测量技术均属国际有关前沿课题，有广阔的发展空间和创新领域。对于发展现代或未来的创新工程具有重要的理论和实用意义，并可取得重要经济效益。林宗虎教授在热能、核电、石化等工程的重要理论-气液两相流与传热学科领域取得多方面开创性成果。在气液两方面：他创建的两相流孔板流量计算式可通用于各种压力、不同组分、多种两相流体和变压力工况，被国际上推荐为昀佳式，称林氏公式，并被收入国内外6本著作，被引用数十次。他首先对Ｕ型管内两相流体压力降型脉动机理进行系统研究,创建其计算程序和脉动判别法并解决过电站锅炉严重脉动问题。他创建了3种两相摩阻计算法和一种截面含汽率计算式并被广泛应用。在沸腾传热方面：创立了国际上第一个脉动流动时的沸腾传热计算式，可用于光管和多种强化传热管，开拓了传热研究新方向。对过冷沸腾传热、稳定流动沸腾传热均有研究成果。在多相流测量方面：在林氏公式基础上，他首先解决了用一个元件同时测定两相流量和组分两个参数的国际难题并得到专利和应用，经济效益显著。主要研究热能动力、石油、化工、核能及环境工程内的多相流体的流动及传热规律。主要包括以下几个方面：1．多相流体流量测试技术油-气-水三相流计量技术及仪表，蒸汽-水流量计2．油气安全混输理论和技术段塞流的形成及防止，段塞流的检测3．采油测井技术井下吸汽、吸水及吸聚合物剖面测试技术，井下产液剖面测试技术4．超临界流体技术超临界机组的汽-固磨蚀，超临界流体技术在环保工程中的应用5．多相流体动力学及其数值计算(热能动力工程、石油、化工、冶金工程、环境工程以及生命血液流动等应用领域)6．多相流测试技术及热工仪表开发7..CO2的流动和相变换热；超临界CO2萃取技术近年来，两相流领域国家自然基金资助情况：2002年资助项目:2004