流体力学绪论.

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1、多相流体动力学 多相流体动力学 多相流体动力学 Outline 常见多相流 管道中的多相流流型 颗粒上的力 流固两相流计算方法 空化简介 多相流体动力学 常见的两相及多相流 单相流：单相物质的流动，或两种混合均匀 的气体或液体的流动 两相流：气液两相流，液液两相流，气 固两相流，液固两相流 三相流：气水油，油水砂，汽油 砂等 四相流：气水油砂 多相流体动力学 一. 气液两相流 单组分工质：水水蒸汽两相流，流动中相变 双组分工质：空气水气液两相流 例：自然界：风雨交加，云遮雾罩 日常生活：沸腾的水壶，啤酒 工业设备：锅炉，核反应堆的蒸汽发生器，冷凝器，反应器 ，蒸馏塔，气提塔，各式气液混合器，气

2、液发生器和热交换器 多相流体动力学 二. 液液两相流 两种互不相溶的液体混合在一起的流动 例：油田开采与地面集输等的油水两相流 化工中的乳浊液 多相流体动力学 三. 气固两相流 稀相：连续离散介质 浓相：拟流体假设，连续连续 例：自然界：沙漠风沙，沙尘暴，飞雪，冰雹 工业过程：气力输送，气流干燥，煤粉燃烧，气力浮选，流态化 多相流体动力学 四. 液固两相流 液体和固体混合在一起的流动 自然界：夹带泥沙的江河海水等 工业工程：水力输送，矿浆，泥浆，纸浆，胶浆，水 煤浆，污水排放 多相流体动力学 五、 气液液、气液固和液液固多相流 油田油井 多相流体动力学 常见的多相流流动形式举例 多相流体动力学

3、 2002年7月3日下午3时，小浪底出水口三号排沙洞开始试探性放水。 多相流体动力学 磨料水切割、磨料水清洗 多相流体动力学 多相流体动力学 多相流体动力学 气固两相流流型图 水平管气体-固体 颗粒流中的典型 流型 多相流体动力学 气固流化床 多相流体动力学 气液（液液）两相流流型图 多相流体动力学 多相流体动力学 颗粒相尺寸的统计分布 典型颗粒的尺寸范围 物质尺寸范围（m) 烟草产生的烟0.011 油烟0.031 细菌0.350 煤烟1100 粉煤3600 飞灰1200 雾280 喷雾的液滴66000 花粉10100 雨滴6006000 多相流体动力学 多相流的基本理论 颗粒上的作用力 多相

4、流体动力学 颗粒相的动力特性 水动阻力 重力 浮力 压力梯度力 虚假质量力 Basset力 颗粒旋转时的Magnus 升力 Saffmen升力 热泳力 光泳力 声泳力 静电力 颗粒间、颗粒和壁面的相互碰撞力 范德华力 毛细力 多相流体动力学 1 颗粒运动时的粘性阻力 气体的稀薄效应、可压缩性及颗粒与流体之间的温差;颗粒浓度 多相流体动力学 2-3 重力和浮力 重力公式： 浮力公式： 多相流体动力学 颗粒的终端沉降速度 Low Reynolds number 多相流体动力学 4. 压力梯度力 颗粒在有压力梯度的流 场中运动时，还受到一个 由于压力梯度引起的作用 力。 多相流体动力学 通过在颗粒上

5、取积分的方法，就可得到颗上的压力梯度 力。 式中 rp 表示颗粒的直径，而负号则表示压力梯度力的方向 与流场压力梯度的方向相反 多相流体动力学 多相流体动力学 把压力梯度力与颗粒惯性力作比较，可以得到 式中为颗粒的加速度，而流场中的压力梯度力可以近 似为 式中 为流体的加速度，则 如果颗粒的加速度和流体的加速度相差不大，那么流 体的密度通常小于颗粒的密度，所以压力梯度力的量级 很小，可以忽略不计。 多相流体动力学 当颗粒相对于流体作加速运动时，不但颗粒的速 度越来越大，而且周围的流体的速度亦会增大。推 动颗粒运动的力不但增加颗粒本身的动能，而且也 增加了流体的动能，故这个力将大于加速颗粒本身

6、所需的 ，这好象颗粒质量增加了一样。加速这部 分增加质量的力叫做虚假质量力，也叫表观质量效 应。 5. 虚假质量力 虚假质量力实际上是由于颗粒作变速运动引起的颗粒表面上 的压力分布不对称而形成的。 多相流体动力学 设流体静止、无粘、不可压缩，颗粒反x方向以 作变 速直线运动。为了方便，采用固接与颗粒上的动坐标系来研究 颗粒的绝对运动。 对于球坐标下的轴对称运动问题，由以上条件可得 即： 多相流体动力学 边界条件 1 球形颗粒表面处 2 无穷远处 多相流体动力学 通过求解方程，可得速度矢函数： 根据速度矢函数可得颗粒表面的速度： 按动坐标系中的柯西拉个朗日积分可以求得流 场中的压力分布。 柯西拉

7、格朗日积分为： 多相流体动力学 在不计及质量力的情况下，则质量力的矢函数U 0，而无穷远处流体为静止状态，故： 多相流体动力学 多相流体动力学 由上式可以看出，在球形颗粒作 变速直线运动时，球表面所受的压力比 匀速运动时增加了一项： 对此式沿球表面进行积分即可得到虚假质量力计算公式 如果流体以瞬时速度 运动，颗粒的瞬时速度为 ，那么颗粒相对于流体 得加速度为 则此时得虚假质量效应力为： 从上式可以明显的看出虚假质量力数值上等于与颗粒等体积的流体质量附 在颗粒上作加速运动时的惯性力的一半。 实验表明，实际的虚假质量力将大于理论值，因此用一个经验常数 代替 上式中的0.5. 重要结论：由于气固两项

8、流中 因此虚假质量力与惯性力相比较是 很小的，特别是相对运动不大时，虚假质量力可以不予考虑。 多相流体动力学 6 Basset力 当颗粒在静止的粘性流体中作任意速度的直线运 动时，颗粒不但受粘性阻力和虚假质量力的作用，而 且受到一个瞬时流动阻力的作用，它计及了颗粒的加 速历程，在这个加速过程中, Basset力对颗粒的运动有 较大的影响。 多相流体动力学 有计算公式可以看出，Basset力只发生在粘性流体中，并且 与流动的不稳定性有关。 Odar进行的实验研究表明，Basset 力同时依赖于加速度的 模数，如把上式改写为 则可由下列关联式得到： 多相流体动力学 Basset力只发生在粘性流体中

9、，并且时与流动 的不稳定性有关的。 例如，放在静止流体中的平板，给他一个脉冲 式启动，那么，随着平板处动量的扩散，边界层 就会发展，边界层产生的剪切力随时间而连续变 化，直到达到稳态条件才停止。 在此过渡时期内，剪切力与稳态值的差异就是 Basset力。 多相流体动力学 7 Magnus升力 根据升力定理，由于颗粒的旋转将产生升力，其表 达式为 ,在静止流体中 若颗粒在流体中边运动边旋转，此时的升力可由 Rubinow和 Keller 提出的公式计算 多相流体动力学 1. 流场中有速度梯度存在，使冲刷颗粒的力量不均匀。 Jeffery在低剪切雷诺数情况下推出颗粒的旋转速度 为： 2.颗粒形状不

10、规则，使得各点所受的形状阻力和摩擦阻力不不一样。当 颗粒形状不规则时，即使流场中不存在速度梯度，颗粒也会旋转，这 是由于颗粒所受的形状阻力和摩擦阻力不一样所造成的，旋转力矩的 存在是的颗粒产生旋转。 3煤粒之间相互碰撞、摩擦或与管壁、炉壁间的碰撞、摩擦而产生的旋 转。 4 由于不均匀蒸发、挥发物释放及其燃烧等热质交换过程而产生的旋转 效应。 颗粒产生旋转的原因： 多相流体动力学 对于颗粒而言，其在流场中的运动是边运动边高速旋转。下表为颗 粒在气流中及和壁面碰撞后的旋转速度。 由实验可知:不规则形状的煤粒比球形石英球旋转速度更大.如果颗粒 和壁面碰撞则旋转速度将增大几倍，壁面越粗糙，增加的倍数越

11、大。 颗粒直径在气流中的平均转 速(r/s) 在碰撞后的平均旋 转转 速(r/s) 煤粒2mm 石英球2.5mm 石英球10mm 多相流体动力学 颗粒在有速度梯度的流场中运动，由于上部 B处的速度比下部处的速度高，因此处的压力就低于处 的压力颗粒将受到一个升力的作用，这个力称为saffman 力。Saffman和 Magnus不同，它不是因为颗粒的旋转所 产生的。 8 Saffman升力 A B 多相流体动力学 Saffman 在低雷诺数的情况下，对平面剪切流 绕圆球的流动运用奇异摄动法求得了颗粒的升力 ，表达式为： 该公式对于 是有效的，在比较高 的雷诺数时，saffman还没有相应的公式，

12、从式可 见saffman升力和速度梯度有关联，一般在速度的 主流区速度梯度一般都很小，故此时可忽略 saffman升力的影响，仅在速度边界层中， saffman升力的影响才变的很明显。 多相流体动力学 9 颗粒在不等温情况下所受的热泳力 多相流体动力学 热泳的概念： 在燃烧及传热设备中到处存在大小不同的温度梯度 ，燃烧颗粒或飞灰处在有温度梯度的流场中，将受到来自高压 区的热压力而向低压区迁移，这种现象称为热泳。 热泳力的概念： 在有温度梯度的流场中，使颗粒由高温区向低温区 移动的力通常称为热泳力。 多相流体动力学 R.Lee Byers 通过使不同温度、不同流速的含尘气流通过直径为8mm 的带

13、有水冷外套的管子进行实验，同时要求管内流速远大于颗粒沉降速 度， 研究结果表明： 1 颗粒直径越大，搜集效率越小，它说明热泳力对细小颗粒作用明 显。 2 在相同的颗粒直径下，温差越大，搜集效率越高，亦即在温差大 的情况下热泳力大。 3 流速和雷诺数变化不大时，颗粒搜集效率变化不大。在 时流速增大， 搜集效率反而增加。 4 如果管壁是热的，而气流是冷的，则微细粉尘颗粒就不沉积在管 子内表面上。 多相流体动力学 多相流体动力学 10 光电泳和声泳简介 暴露在能级非常高的光能中的颗粒灰发生运动， 产生这样运动的原因是颗粒吸收光能以及随后加热附近 的气体分子，此作用和热泳力相识。但是，光电泳作用 可能

14、是完全没有规律的运动，也可能在诸多外力作用下 向一方向运动，光电泳运动可以描述成放大的布朗运动 ，光打击在颗粒上可以被反射或吸收，被吸收的能量引 起能量分布的不均匀，再加上形状不规则，就使得局部 气体分子加热不匀而使各个颗粒做极不规则的运动。光 电泳由于又很多复杂的因素，从而使得计算及其困难。 在声场中的颗粒也将受到作用并产生漂移运动 ，颗粒会随气体振动而达到一定的程度，会在气体介质 中循环，也会由气体的纵向运动而漂移到平直方向 多相流体动力学 带有电荷的颗粒在运动中将受到静电力的作用，静 电力的大小由库仑定律决定。设两个带电颗粒所带的电荷为 ，它们之间的距离为S，则它们之间的静电力为： 式中 为真空介电常数。 若一个带电颗粒在充有非导电气体的电场中运动时 ，它所受的静电力为 一个中性颗粒在电场中运动时由于气态粒子的扩散 作用，在颗粒上会产生感应电荷，此感应电荷简称为镜像电荷 力，一经荷电，颗粒就像电荷那样相互排斥，从而减少了和气 态粒子碰撞再荷电的几率，倘若颗粒已