流体-固体两相流的数值模拟.pdf

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1、第52卷第1期化工学报Vol.52N12001年1月JournalofCiemicalIndustryandEngineering（Ciina）January2001!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!#"""""""#综"述与专论"流体!固体两相流的数值模拟#""""""#"张政谢灼利（北京化工大学化学工程学院，北京100029）摘要鉴于流体-固体两相流及其数值模拟在化学工程中愈来愈广泛的应用，本文综述了Euler坐标系下流体相湍流

2、模型、颗粒轨道模型以及流体-颗粒双流体模型的基本原理和数值模拟方法；对相间耦合和颗粒间的相互作用也进行了介绍，特别是对能详细描述多颗粒间相互作用的颗粒离散单元法在流体-固体两相流中的应用进行了详细描述；在评述各模型的优缺点和分析目前存在的问题的基础上，提出了今后的发展方向.关键词数值模拟流固两相流耦合颗粒间相互作用离散单元法中图分类号0359文献标识码A文章编号0438-1157（2001）01-0001-12基本流体力学方程基础上的纯理论方法只能适用于一些很引言简单的工况.化工两相流包括气体-液滴、气体-固体、液体-固2

3、0世纪70年代以来，随着计算机的普及以及计算能力体、液体-液滴、液体-气泡等多种不同体系.各体系由的不断提高，加上近似计算方法如有限差分法、有限元法、于受两相物性（如流体密度、黏度，颗粒密度、粒径分布、有限体积法等的发展，基于数值计算的计算流体力学（com-形状以及相界面张力等）、操作条件（如流体速度、固含量、putationalfluiddynamics，CFD）方法正在冲击并改变着传统的工业过程设计方法［2，3］操作温度及压力等）和过程环境（过程设备的形状、大小、.这种数值方法是通过建立各种条件相对位置及方向）等的影响

4、，其流型又是多种多样.以气固下的基本守恒方程（包括质量、动量以及能量等），结合一水平输送为例，随着输送气体速度的变化，它大体包括悬些初始和边界条件，加上数值计算理论和方法，从而实现浮流、管底流、疏密流、脉动流、部分流和栓状流6种不预报真实过程各种场如流场、温度场、浓度场等的分布，同的流型.而不同的流型有完全不同的流动规律和相间阻以达到对过程设计与优化、放大及控制的详细描述.力、壁面阻力规律.一般说来，在一种流型下得到的流动由于篇幅有限，本文就流体（气体或液体）和固体颗粒规律不能随意推广到别的流型.可见两相流动非常复杂.二相

5、流的理论和数值模拟方法进行描述.传统研究两相流的方法包括实验和理论方法.就实验目前对流体-颗粒两相流的数值模拟不外乎两类方法，即Euler方法和Lagrange方法［4］方法而论，由于受测试手段和测试条件的限制，多数工作.第1类方法把颗粒作为拟还仅限于对宏观流体力学特性的观察和测定，比如不同流流体，认为颗粒与流体是共同存在且相互渗透的连续介质，两相同在Euler坐标系下处理，即连续流体模型［5］体速度下粗略的流型变化图、某一流型下的平均压降、平.这类模均流体相及固相速度等.毫无疑问，这些结果对于人们了型经历了无滑移模型、小

6、滑移双流体模型、有滑移-扩散解在特定设备、特定条件下的多相流流动规律十分有用.的双流体模型各阶段及近年来发展起来的以颗粒碰撞理论为基础的颗粒动力学双流体模型［6］但要进一步深入研究更基本的多相流流动规律，如流体间.对密相流-固两相流，相互作用力和各相流体运动速度分布，现今的基本测试手这类模型能通过固体黏度和固体压力来表示颗粒间相互作段都很难解决，特别在分散相浓度较高时就更困难了.如用.第2类方法把流体（液体或气体）当作连续介质，而将侯拴弟［1］等最近用研究多相流的价格昂贵的激光相多普勒颗粒视为离散体系，在Euler坐标系下

7、考察流体相的运动，仪（LPD）测定颗粒质量分数为0.2%的搅拌槽内流场时，发在Lagrange坐标系下研究颗粒群的运动，即颗粒群轨道模型［4］现这种测试方法只能用于测距器壁10cm以内的速度，这.这类模型用完全弹性碰撞模型或颗粒离散单元法处就是说只能用于研究浓度相对较低而且离壁面的深度相对理密相流-固两相流中颗粒间相互作用.鉴于Euler坐标系浅处的速度场.就理论工作而言，多相流的绝大多数计算下流体相的运动是研究两相流的基础，本文将首先介绍公式都是用准数关联式来表达的，即它建立在相似理论基Euler坐标系中湍流流体的数值模

8、拟方法，并且在随后的第本上成立的假设条件下，其可适用范围很有限；而建立在2、3节中分别讨论把颗粒相作为离散相来研究的颗粒群轨道模型和把颗粒相也看成是连续相来研究的双流体模型，1999-08-18收到初稿，1999-12-28收到修改稿.在第4节中讨论流-固两相相间耦合的问题，最后对各模联系人及第一作者：