多相流体力学在现代工程中的应用

多相流体力学在现代工程中的应用

摘要：多相流体力学主要研究多相流体在流动时的力学问题，其在现代重要工程设备中的广泛应用。本文介绍了多相流体的分类，并简单介绍了多想流体力学在现代工程中的应用。

关键词：多想流体力学 现代工程应用 数值计算

1、 多相流体的分类

自然界中常见的形态为固态、液态和气态，由于在热力学中每一个均匀部分称为一个相，因此，固、液、气可分别称为固相物体、液相物体、气相物体或统称为单相物体。当流体各部分之间存在差异时，这一流体称为多相流体，简称多相流。比如气体、液体或固体的混合物。

多相流的特点为在多相流中各相之间存在分界面，且该分界面随着流动在不断变化。例如水夹带着气泡在管道中流动，没个气泡在水中的形状和位置随时间在变化，小气泡有时还会合并成较大气泡，因而水和气泡的分界面随着流动在不断变化，所以，一般可将多相流定义为存在变动分界的多种独立物质组成的流动。

多相流根据参与流动各相的数目一般可分为两相流和三相流。两相流又可分为气液两相流、气固两相流、液固两相流和液液两相流。三相流可分为气液固三相流和液液气三相流。另外还可以根据参加流动的各组分对多相流进行分类。以气液两相流为例，可分为单组分气液两相流与双组分气液两相流。例如，水蒸汽和水的组分是相同的，属于单组分气液两相流。空气和水的组分不同，属于双组分两相流。单组分气液两相流在流动过程中根

据压力变化的不同有可能发生相变，即部分液体气化为水蒸汽或部分蒸汽凝结成水。而双组分气液两相流中不同组分流体之间是不会发生含量变化。根据换热情况不同，多相流还可以分为与外界无加热或冷却等热量交换过程的绝热多相流和有热量交换的多相流。

多相流在自然界、工业工程乃至日常生活中都是广泛存在的。自然界中常见的夹杂着灰粒或雨滴的风，夹杂着泥沙的河水、烟雾、流动的碳酸饮料以及沸腾的水等均为多相流的实例。在工程设备中，发电厂中各种沸腾管、气液分离器、各式冷凝器、热交换设备等都广泛存在气液两相流体的流动和传热现象。另外燃煤电厂中的煤粉输送、流化床锅炉中的燃料流动等均属于气固两相流。在工程中还存在不少三相流的工况。例如在浆液流体中除存在固液两相外，有时还含有气相。在油田开采出的原油中，除去原油和天然气外还带有水。如果里面还夹带有沙粒，则属于四相流。

2、 多相流体力学在工程中的应用

多相流体力学是现代工程中的重要理论基础，对于指导和发展现代工程具有重要作用。随着能源危机和环境污染的日益严重，研究高效洁净经济的火力发电机组是各国努力发展的方向。其中超超临界压力火力发电机组和增压流化床蒸汽燃气联合循环发电机组的研究较多。

超超临界压力锅炉除了要解决其燃料系统、燃烧系统、除尘系统、排粉机和引风机等一系列气固两相流问题和水力除灰的液固两相流问题外，还需解决独特的多相流体力学问题。例如，在锅炉启动或低参数运行时，工质由低于临界压力的汽水混合物，随着压力上升转变到超临界压力单相工质时的瞬态具有热交换的多相流体力学问题。例如，何时发生会导致爆炸事故的传热恶化问题，瞬态流体流动特性问题以及为了防止传热恶化而采用的强化传热管的流动和传热问题等。因而要研制开发和运转这种火力发电机组必须进一步研

究多相流体力学。

燃煤增压流化床燃气— — 蒸汽联合循环机组一个特点为采用流化床燃烧的蒸汽锅炉。煤和石灰磨成细颗粒后从进料口进入炉膛。空气从炉膛底部经布风板均匀进入炉膛并向上流动。炉膛中的燃料颗粒等在上升气流作用下上下翻滚呈流态化燃烧。由于燃烧温度较低，可有效减少烟气中的氮氧化物生成量。加入的石灰颗粒在燃烧时可有效抑制硫氧化物的生成。因而一般可免去或减少在锅炉后装设昂贵的排烟脱硫硝环保装置。这种机组的第二个特点为其发电量由蒸汽轮机和燃气轮机联合供应。锅炉产生的蒸汽供蒸汽轮机带动发电机发电。锅炉布置在一个高压空气罐内，炉膛中的压力可达1．6 MPa。炉膛中燃煤产生的高压烟气自锅炉排出并经旋风除尘器除尘后可输入燃气轮机。使其叶轮高速转动并带动发电机发电。此外，高压烟气同时还驱动另一燃气轮机带动压气机向高压空气罐输入高压空气。这种联合循环机组的发电效率可达45％ ～48％且电站尺寸也要比常规电站的小得多。这种新型火力发电机组中存在大量多相流体力学过程。锅炉燃料输入为气固两相流问题。煤粒和石灰石颗粒在流化床燃烧和流动是在增压下，具有化学反应和传热传质过程的多相流体力学问题。带灰粒烟气在旋风除尘器中分离是气固两相在高温下分离的气固两相流问题。含微粒烟气在燃气轮机中的流动过程是稀相气固两相流在旋转机械中的气固两相流体力学问题。此外，和常规凝汽式电站一样，还存在蒸发管中汽水混合物的流动、传热，蒸汽轮机和凝汽器中的湿蒸汽两相流和凝结等有相变的气液两相流体力学问题。

在核能发电方面，常规压水堆核电站因反应堆出口水冷却剂温度较低，其发电效率不高，一般为30％左右。新一代的高温气冷堆核电站由于采用了新型燃料元件和以氦气作冷却剂，可使反应堆出口的冷却温度大为提高，从而使核电站发电效率提高到40％ 以上。在此新型核电工程中，除蒸汽轮机、凝汽器中存在的一系列湿蒸汽两相流和凝结问题外，由于其蒸汽发生器中的给水蒸发管是由像弹簧一样的螺旋管构成的，所以还要研究这种螺旋管中具有热交换的汽水混合物的多相流体力学和沸腾传热问题。因此，多相流体力学也

是开发这种新一代核电站的重要理论基石。

在现代制冷工程中，无论是蒸汽压缩式制冷设备、溴化锂吸收式制冷设备或是新的应用热虹吸原理代替泵的无泵吸收式制冷设备中都只有在多相流体力学指导下，掌握其工作机理才能进行开发和研制。医药卫生方面的血清、疫苗、药物乃至眼球等组织器管的低温保存设备和冷手术刀等的设计和正常操作均与多相流体力学理论有着密切的关系。

在管道中应用气流输送粒状物料的气力输送工程与气固两相流体力学关系密切。以往常用的吸送式和压送式气力输送设备一般只能在颗粒浓度较小的工况下输送物料。在多相流理论指导下开发研制的气刀式脉冲气力输送设备就因可输送高浓度物料而被称为第三代气力输送装置。这种装置采用定期开关进料阀和进气阀的方法使输料管中形成间隔布置的料栓和气栓，并利用气栓压力推动前一个料栓在管中流动。其工作过程中存在一系列特殊而复杂的不稳定气固两流体力学问题，如不加解决，此设备也无法研制成功。

在现代叶轮机械工程中有不少叶轮机械的工质为两相流体或多相流体，诸如锅炉排粉机和引风机中的气固两相流体，用于海洋石油开采的油气混输泵中的油气工质和汽轮机尾部叶轮中的湿蒸汽工质等。只有掌握叶轮中的多相流体力学原理，才能设计出效率高和运行可靠的叶轮机械设备。

在现代石油工程中也存在一系列复杂的多相流体力学问题。诸如各种垂直和倾斜油井井筒中的油、气、水、砂四相流动问题，油气储运中的长距离油气混输问题和油气分离问题等。要提高采油率、降低采油成本和采用新的采油方法如应用二氧化碳采油等也必须研究多相流体力学理论。

现代环保工程也广泛用到多相流体力学理论。废气中的粉尘捕集或净化技术，二氧化

硫的洗涤脱硫过程以及各种废水处理过程均与多相流体力学有着密切的关系。

随着计算机技术的飞速发展，基于流体力学的数值计算在现代工业发展中的流体力学研究应用上的作用和地位日显突出。数值计算成为研究流体力学的重要手段之一。它能更加快速直观的模拟出流体流动特性，为工程应用中出现的问题提供更快的解决手段。例如燃煤在流化床锅炉中沸腾燃烧情况的研究中，用传统的方法需要搭建实验锅炉进行模拟实验等方法来研究，费事费力。而用流体力学数值计算技术，仅仅建立合适的数学模型，通过计算机计算便可得出相似的研究信息。

3、 结论

多相流体力学对于指导、发展和开拓现代工程的作用是十分重要的。随着现代工程的发展、科技的进步以及对于多相流体力学提出的一系列新的研究课题，多相流体力学必然会在不断取得新的研究成果下得到进一步的发展以满足新时代发展的需要。

参考文献：

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2、 程乐鸣，岑可法，倪明江等．工程热物理学报．1996 17 (4)：492．

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