第1章　概述

1.1　多相流的定義

多相流系統廣泛存在于化工、石油、能源、航天、冶金、水力等各個工業領域，而多相流學科是以多相流體系統為研究對象，在流體力學、傳熱傳質學、物理化學、燃燒學等學科基礎上相互融合交叉而逐步發展起來的一門前沿交叉學科。

在物理學中，從物質的形態上進行相的區分，一種物態即稱為一相，例如氣相、液相、固相等。在流體動力學中，屬于一種相態的一類物質既可能是單相的，也可能是多相的。例如，兩種互不相溶的液體構成的流動，由于兩種液體物性的不同將不可避免地造成流動的差異，因此不相溶的液-液流動亦稱為多相流動。

定義為兩相或多相流必須滿足以下兩個條件：一是必須存在相界面；二是相界面必須是運動的。例如，液體在管道內流動，液體是液相，管道是固相，它們之間存在著相界面，但是這個相界面是固定不動的，因此它們不屬于兩相流動；而液體和固體顆粒的混合流動也存在相界面，當相界面隨固體顆粒的運動而不斷運動時，這種液體和固體顆粒混合流動即是液固兩相流動。所以，一般可將多相流定義為存在變動相界面的多種獨立物質組成的流動。

1.2　多相流的分類

最常用的多相流的分類方法是根據參與流動的相的數目進行分類（郭烈錦．2002；周云龍等．2010），如兩相流、三相流等，其中以兩相流最為常見。兩相流主要有四種：氣體和液體組成的流動稱為氣液兩相流；氣體和固體顆粒組成的流動稱為氣固兩相流；液體和固體顆粒組成的流動稱為液固兩相流；兩種互不相溶的液體組成的流動稱為液液兩相流。三相流主要有三種：氣體、液體和固體組成的流動稱為氣液固三相流；氣體和兩種互不相容的液體組成的流動稱為氣液液三相流；固體顆粒和兩種互不相溶的液體組成的流動稱為液液固三相流。

對氣液兩相流而言，還可以根據氣液兩相的組分而分為單組分氣液兩相流和雙組分氣液兩相流。例如，水蒸氣和水組成的汽水混合流動即屬于單組分氣液兩相流動；而空氣和水所組成的氣水混合流動屬于雙組分氣液兩相流動。單組分氣液兩相流動在流動時根據壓力和溫度的變化會發生變化，即部分蒸汽凝結為液體或者部分液體汽化為蒸汽，而雙組分氣液兩相流則一般在流動時不會發生相變。

嚴格地說，固體顆粒沒有流動性，不能作為流體處理。但當流體中存在大量固體顆粒時，如果流體的流動速度足夠大，這些固體顆粒的特性與普通流體類似，即可認為這些固體顆粒為擬流體，在適當的條件下當作流體流動來處理。但擬流體并不是真正的流體，固體顆粒與氣體和液體分子之間存在著復雜的相互作用力，必須考慮顆粒相本身的特點。

通常情況下，多相流動體系總是由連續介質和若干種不連續介質組成。連續介質稱為連續相，不連續介質（如氣泡、液體、固體顆粒等）稱為分散相或非連續相。對多相流動的劃分往往還取決于研究過程中所采用的方法和所需要的精度。例如，對攜帶大量固體顆粒的氣體所組成的氣固流動，由于固體顆粒通常存在粒徑上的差異，不同粒徑的顆粒顯然具有不同的動力學性質，為了能夠精確研究不同粒徑顆粒的流動特性，可將顆粒按不同粒徑范圍進行分組，用不同的動力學方程加以描述，這樣從固相顆粒中又可分出多個相。但如果顆粒粒徑分散性不大，或者為了減少問題的復雜性，在研究過程中不對顆粒粒徑造成的流動差異進行考慮，將所有顆粒采用相同的動力學方程加以描述，則可用氣固兩相流動為對象進行研究。

1.3　多相流的應用

自然界及工程中實際流體的流動幾乎都是多相流，多相流在化工、石油、冶金、航天航空等領域中都有著非常廣泛的應用。這里僅以多相流在化工、石油工業等領域中的應用進行簡要介紹。

流態化是典型的氣固多相流動過程，它利用流動流體的作用，將固體顆粒懸浮起來，從而使固體顆粒具有某些流體表觀特征。利用這種流體與固體間的接觸方式實現生產過程的操作，稱為流態化技術。流態化技術在強化某些單元操作和反應過程以及開發新工藝方面，有著重要作用。當流體（氣體或液體）以不同速度由下向上通過固體顆粒床層時，根據氣體或液體流速的不同，可能出現以下幾種操作模式。

（1）固定床

當流體速度較低時，顆粒所受的曳力較小，能夠保持靜止狀態，不發生相對運動，流體只能穿過靜止顆粒之間的空隙而流動，這種顆粒床層稱為固定床，此時，顆粒床層高度不變，為固定床高度。

（2）流化床

當流速增至一定值時，顆粒床層開始松動，顆粒位置也在一定區間內開始調整，床層略有膨脹，但顆粒仍不能自由運動，床層的這種情況稱為初始流化或臨界流化，此時顆粒床層高度為起始流化床層高度，相應的流體速度稱為初始流化速度或臨界流化速度。再繼續增大流速，顆粒將懸浮于流體中做隨機運動，床層開始膨脹、增高，空隙率也隨之增大，此時顆粒與流體之間的摩擦力恰好與其凈重力相平衡。此后床層高度將隨流速提高而升高。這種顆粒床層具有類似于流體的性質，故稱為流化床。

（3）輸送床或循環流化床

若流速再升高達到某一值時，流化床的固體顆粒與無固體顆粒的流體之間的上界面消失，顆粒分散懸浮于流體中，并不斷被流體帶走，如果被流體帶走的顆粒能夠被裝置收回，并重新進入原來的流化床系統，則構成循環流化床。此時，顆粒含率在軸向上存在明顯分布。

（4）稀相輸送

當流速增大到一定值時，顆粒含率很小，且在軸向上均勻一致，被流體帶出的顆粒不再收回和循環，則這種顆粒床層稱為稀相輸送床。

從整體看流化床的主要特征，床層顯示出類似于液體的表觀性質，例如保持床層界面的水平，對置于床內的物體產生浮力，具有與床高成正比的靜壓差，能從高處流向低處和從孔口流出等。由于床層具有流動性，可以很方便地使固體顆粒連續加入和排出，無需機械裝置就能實現連續操作。氣固流化床固體顆粒在床內激烈運動，造成整個流化床宏觀上的均勻性，床層各處的溫度基本均一，非常適合于有強熱效應的過程。但顆粒的激烈運動也造成各顆粒在流化床中停留時間的不均一和流體的返混。流化床的壓力降保持恒定，這使流化床可以采用小顆粒，而無需擔心過大的壓降；小顆粒的采用有利于流體與顆粒間的熱量傳遞和質量傳遞，也縮短了顆粒內部的傳遞和反應距離。在聚式流化床中，大量氣體以氣泡形式通過床層，這部分氣體與固體接觸甚少；而少量流經乳化相的氣體，在床內有較長時間與固體接觸。這種氣固間的不均勻接觸，是流化床的主要缺點。顆粒在床內劇烈運動，造成固體顆粒和床內設備的磨損，生成粉塵。為回收有價值的物料和保護環境，需設置粉塵回收設備。迄今，流化床在煉油、石油化工、化工、煤氣化、熱解、顆粒干燥、制藥工業等領域具有重要的應用。

氣液（漿）多相反應器廣泛地應用于石油化工、生物化工、食品化工、能源化工、環境工程等許多工業過程。傳統的氣液（漿）多相反應器包括攪拌釜、鼓泡床、氣升式環流反應器三種，其中攪拌釜通過機械攪拌實現固體顆粒的均勻懸浮，容易控制氣泡大小，流體湍動程度強，傳質能力好，但是機械攪拌會帶來密封性不好、物料泄漏和潤滑劑污染等問題，另外能耗高也使操作成本提高。鼓泡床傳熱和傳質效率較高，設備簡單，固定投資少（郭坤宇等．2014），但一般在鼓泡床中表觀液速為零或很低，固體顆粒催化劑不易在反應器內均勻懸浮。氣升式環流反應器綜合了兩方面的優良性能，具有自身的優點，例如結構和操作簡單，容易密封，無機械傳動部件，相間接觸面積大，傳熱和傳質效率高，工業放大比較容易，且液體循環速度高，容易實現固體懸浮等。上述這些優點，使得氣升式環流反應器在氣液（漿）體系反應的過程中得到了大量應用。其中較為典型的工業過程包括重油加氫裂解、脫硫、烴類加氫、烴類氧化、烴類鹵化、生物反應、廢氣及廢水處理、低分子量烯烴聚合以及F-T合成等化工過程。

雖然多相流反應器在工業上有著廣泛的應用，但多相流的復雜性，尤其是流動、傳質、傳熱和化學反應之間存在復雜的相互作用，使得該類體系還有許多問題有待認識。在工業化推廣應用方面，尤其是在反應器的結構設計、裝置放大、優化操作以及性能預測方面尚缺乏足夠的理論指導。同時多相流本身作為一種復雜的物理現象，影響因素很多，且互相耦合，對其機理的認識和了解還遠遠不夠。由于所采用的反應器形式多種多樣，實驗手段和測量技術千差萬別，有時不同的研究人員得出的結論不盡相同，甚至會相互矛盾。因此針對多相流多相流動行為進行實驗研究和建模分析，對定量分析多相流反應器的流動及反應行為，指導反應器優化設計和放大具有重要意義。

1.4　多相流的測量技術

多相流的流場結構包括各相的相含率、速度、壓力及溫度等場分布信息，而對于帶有化學反應的多相流，各相相內由于存在物質轉化而存在各組分濃度的場分布。上述各屬性依賴于不同的時間和空間尺度，即產生了多相流動的復雜性。盡管已經有越來越多的模擬方法如計算流體力學（CFD）可以幫助理解多相流行為和反應器設計，但模型和方法的合理與可靠性仍然需要實驗數據的驗證，且目前還沒有理論模型能準確、完整地闡述其流動變化的規律和特性。因此，實驗測試技術仍然是研究多相流的主要手段，無論是在工業應用還是學術研究上都有著非常重要的地位。由于多相流固有的流動復雜性，相關理論研究和工程應用都對測試技術不斷地提出更高的要求，如無干擾流場、高時空分辨率和場測量等。

多相流測量技術可以依據不同的標準進行分類。Boyer等（2002）根據是否干擾流場以及測試維度對各種多相流測量技術進行了分類，如圖1-1所示。

干擾式測試方法所用傳感器主要有光纖探頭、電導探頭、超聲探頭和畢托管幾類，方便快捷，成本較低，已經廣泛應用于多相流測量（參見綜述文章Werther.1999；Boyer, et al.2002）。但是，一般只能用于逐點測量，而且探頭的使用帶給流場不同程度的外來干擾。此外，為得到參數的場分布，須將各點的檢測結果拼接，由此得到的場分布將是時均意義的；在高溫、高壓、劇毒等工業惡劣環境下，探頭技術的應用往往也受到較大的限制。

無干擾式測試方法一般采用核子射線、可見光、電場、磁場和超聲波等探測源作用于流場，當流場不受影響或者影響可忽略時，由探測信號的變化反映流場各相的相含率。對于離散相含率較高的多相流體系，可見光、超聲波等探測源（如攝影法）難以有效穿透和響應，一般無法直接使用。對于靜電現象嚴重的氣固兩相流體系，電場等探測源無法使用。此外，多相垂直管流在完全發展段可通過壓降法獲得接近于實際相含率的表觀相含率，即截面平均相含率，在多相流的研究中應用廣泛。

1.5　多相流的模型和模擬

數值模擬是一種以電子計算機為手段，通過求解由質量、動量和能量守恒方程等組成的方程組，借助于圖像顯示技術給出空間各處的壓力、溫度、速度、組分濃度等詳細信息以及流動、傳質和傳熱裝置的總體性能，從而實現對工程中乃至自然界各類物理問題和現象進行研究的技術。與傳統的實驗方法相比，數值模擬具有很大的優越性。

①數值模擬工作的物質耗費少，時間花費短，節省人力和物力。但這種優越性的發揮需要有一個前提條件，就是需要建立可靠的數學模型，選擇高效計算方法，這些都是計算機數值模擬工作成功的關鍵。

②數值模擬具有良好的可重復性，在計算的精度范圍內，相同計算條件下得到的計算結果總是相同的。

③通過數值模擬，可以很便捷地調節任意實驗條件，可對一些實驗難以測量的量做出預測?；诖祟A測，數值模擬可以發現許多實驗中沒有觀測到的新現象。

相比于單相流動，對多相流的模擬存在著諸多困難：①描述多相流的變量顯著增加，各相的速度、濃度、物性、分散相的顆粒大小以及相間相對速度等都在很寬的范圍內變化，而這些參數都會引起流動性質和流型的變化；②描述多相流的基本方程組比單相流的要復雜得多，相應的守恒方程組求解困難，相間相互作用項進一步提高了控制方程的復雜性；③多相之間相分布描述困難，需要確定相之間的相互作用力，在多相流的數值模擬中，大部分的工作都是針對這些相間相互作用過程建立適當的物理模型。

通過上述介紹可以看出，多相流數值模擬的關鍵在于相界面的確定及其描述方法、物性參數的確定方法以及合適的數值計算方法。根據各種計算方法所依賴的數學和物理原理不同，多相流的數值模擬方法可大致歸納為如下三大類（郭照立，鄭楚光．2009），即宏觀方法、微觀方法和介觀方法。

宏觀方法基于流體的連續性假設，并根據質量守恒、動量守恒與熱量守恒等基本物理規律建立起一套偏微分方程組；再通過有限差分、有限體積或有限元等方法對這些方程進行離散求解，該方法屬于經典的連續介質力學方法。針對不同的實際問題，連續介質力學方法又可分為歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法兩類?，F今廣泛應用于多相流研究的均相模型、分相模型和多流體模型屬于歐拉-歐拉方法的范疇，而顆粒動力學模型和顆粒群軌道模型等則屬于歐拉-拉格朗日模型的范疇。

微觀方法則是建立在分子動力學的基礎上，從微觀層次上將多相流看作是大量離散分子的集合，流體的流動特性是通過對每個分子各時刻的位置、速度等信息進行統計來描述的。這類方法基于最基本的分子運動規律，原則上可用于各種流體的模擬。但由于流動體系中的分子數量通常十分龐大，并且計算過程的時間步長與空間步長需足夠小以匹配分子運動的特征，因此模擬過程需要極大的計算量與存儲量，從而會導致很高的時間消耗與費用消耗。

介觀方法是一種介于流體連續性假設與分子動力學之間的流體模擬方法，這類方法的代表是格子玻爾茲曼方法。該方法是對計算區域內的許多格子進行計算，這些格子的尺度遠比分子平均自由程大，但又比有限差分的步長或有限體積法中的控制體特征長度小，介質粒子在格子之間按一定規則運動，流體在宏觀層次中的運動信息可通過對這些粒子的相關特性進行統計平均得到。

隨著數學科學和計算機技術的不斷發展，新的多相流數值模擬方法也不斷涌現，如Level Set方法、直接數值模擬方法、大渦模擬方法等。本章主要結合筆者的研究工作，介紹氣液體系的雙流體模型、CFD-PBM耦合模型、氣-固體系的雙流體模型、CFD-DEM耦合模型、CFD-基元反應動力學耦合模型以及格子玻爾茲曼（LBM）方法。

參考文獻

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周云龍，孫斌，李洪偉．2010．多相流參數檢測理論及其應用．北京：科學出版社．