流體力學(xué)緒論

1、多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)Outline 常見多相流常見多相流 管道中的多相流流型管道中的多相流流型 顆粒上的力顆粒上的力 流固兩相流計算方法流固兩相流計算方法 空化簡介空化簡介多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)常見的兩相及多相流常見的兩相及多相流 單相流：單相流：單相物質(zhì)的流動，或兩種混合均勻的氣單相物質(zhì)的流動，或兩種混合均勻的氣體或液體的流動體或液體的流動 兩相流：兩相流：氣液兩相流，液液兩相流，氣固氣液兩相流，液液兩相流，氣固兩相流，液固兩相流兩相流，液固兩相流 三相流：三相流：氣水油，油水砂，汽油砂氣水油，油水砂，汽油砂等等 四相流：四相流：氣水油

2、氣水油砂砂多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)一一. 氣液兩相流氣液兩相流 單組分工質(zhì)：單組分工質(zhì)：水水蒸汽兩相流，流動中相變水水蒸汽兩相流，流動中相變 雙組分工質(zhì)：雙組分工質(zhì)：空氣水氣液兩相流空氣水氣液兩相流例：自然界：風(fēng)雨交加，云遮霧罩例：自然界：風(fēng)雨交加，云遮霧罩 日常生活：沸騰的水壺，啤酒日常生活：沸騰的水壺，啤酒 工業(yè)設(shè)備：鍋爐，核反應(yīng)堆的蒸汽發(fā)生器，冷凝器，反應(yīng)器，蒸餾塔，工業(yè)設(shè)備：鍋爐，核反應(yīng)堆的蒸汽發(fā)生器，冷凝器，反應(yīng)器，蒸餾塔，氣提塔，各式氣液混合器，氣液發(fā)生器和熱交換器氣提塔，各式氣液混合器，氣液發(fā)生器和熱交換器多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)二二. 液液兩相流液液兩相流兩種互不相溶的

3、液體混合在一起的流動兩種互不相溶的液體混合在一起的流動例：油田開采與地面集輸?shù)鹊挠退畠上嗔骼河吞镩_采與地面集輸?shù)鹊挠退畠上嗔?化工中的乳濁液化工中的乳濁液多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)三三. 氣固兩相流氣固兩相流 稀相：稀相：連續(xù)離散介質(zhì)連續(xù)離散介質(zhì) 濃相：濃相：擬流體假設(shè)，連續(xù)連續(xù)擬流體假設(shè)，連續(xù)連續(xù)例：例：自然界自然界：沙漠風(fēng)沙，沙塵暴，飛雪，冰雹：沙漠風(fēng)沙，沙塵暴，飛雪，冰雹工業(yè)過程工業(yè)過程：氣力輸送，氣流干燥，煤粉燃燒，氣力浮選，流態(tài)化：氣力輸送，氣流干燥，煤粉燃燒，氣力浮選，流態(tài)化多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)四四. 液固兩相流液固兩相流 液體和固體混合在一起的流動液體和固體混合在一起

4、的流動 自然界：自然界：夾帶泥沙的江河海水等夾帶泥沙的江河海水等 工業(yè)工程：工業(yè)工程：水力輸送，礦漿，泥漿，紙漿，膠漿，水煤漿，水力輸送，礦漿，泥漿，紙漿，膠漿，水煤漿，污水排放污水排放多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)五、五、 氣液液、氣液固和液液固多相流氣液液、氣液固和液液固多相流 油田油井油田油井多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)常見的多相流流動形式舉例常見的多相流流動形式舉例多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)20022002年年7 7月月3 3日下午日下午3 3時，小浪底出水口三號排沙洞開始試探性放水。時，小浪底出水口三號排沙洞開始試探性放水。多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)磨料水切割、磨料水清洗磨料水切割

5、、磨料水清洗多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)氣固兩相流流型圖氣固兩相流流型圖水平管氣體-固體顆粒流中的典型流型多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 氣固流化床氣固流化床多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)氣液（液液）兩相流流型圖氣液（液液）兩相流流型圖多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)顆粒相尺寸的統(tǒng)計分布顆粒相尺寸的統(tǒng)計分布典型顆粒的尺寸范圍典型顆粒的尺寸范圍物質(zhì)物質(zhì)尺寸范圍（尺寸范圍（ m)煙草產(chǎn)生的煙煙草產(chǎn)生的煙0.011油煙油煙0.031細(xì)菌細(xì)菌0.350煤煙煤煙1100粉煤粉煤3600飛灰飛灰1200霧霧280噴霧的液滴噴霧的液

6、滴66000花粉花粉10100雨滴雨滴6006000多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流的基本理論多相流的基本理論顆粒上的作用力多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)顆粒相的動力特性1. 水動阻力水動阻力2. 重力重力3. 浮力浮力4. 壓力梯度力壓力梯度力5. 虛假質(zhì)量力虛假質(zhì)量力6. Basset力力7. 顆粒旋轉(zhuǎn)時的顆粒旋轉(zhuǎn)時的Magnus 升力升力8. Saffmen升力升力9. 熱泳力熱泳力10. 光泳力光泳力11. 聲泳力聲泳力12. 靜電力靜電力13. 顆粒間、顆粒和壁面的相互碰撞力顆粒間、顆粒和壁面的相互碰撞力14. 范德華力范德華力15. 毛細(xì)力毛細(xì)力多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)2()2

7、prDgpgprFCvvvv1 顆粒運動時的粘性阻力顆粒運動時的粘性阻力氣體的稀薄效應(yīng)、可壓縮性及顆粒與流體之間的溫差氣體的稀薄效應(yīng)、可壓縮性及顆粒與流體之間的溫差;顆粒濃度顆粒濃度多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)2-3 重力和浮力重力和浮力重力公式：重力公式：浮力公式：浮力公式：316gppFdg316apgFdg多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)顆粒的終端沉降速度顆粒的終端沉降速度3321166()2pppppgpDgpgpdumdgdgdtrCvvvv4()3ppgtgDdguC324()2()3,69sfsfcsagagUUa Low Reynolds number多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)4

8、. 壓力梯度力壓力梯度力 顆粒在有壓力梯度的流場中顆粒在有壓力梯度的流場中運動時，還受到一個由于壓運動時，還受到一個由于壓力梯度引起的作用力。力梯度引起的作用力。0(1cos)pppprx/pxpFxy0p多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 通過在顆粒上取積分的方法，就可得到顆上的壓力梯度力。通過在顆粒上取積分的方法，就可得到顆上的壓力梯度力。2002320003(1cos) 2sincos2(sincos2sincos)43pppppppppFprrdxpprprdrdxxpprVxx 式中式中 rp 表示顆粒的直徑，而負(fù)號則表示壓力梯度力的方向表示顆粒的直徑，而負(fù)號則表示壓力梯度力的方向與流場壓

9、力梯度的方向相反與流場壓力梯度的方向相反多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)pppFVx 多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)把壓力梯度力與顆粒慣性力作比較，可以得到把壓力梯度力與顆粒慣性力作比較，可以得到 式中為顆粒的加速度，而流場中的壓力梯度力可以近似為式中為顆粒的加速度，而流場中的壓力梯度力可以近似為 式中式中 為流體的加速度，則為流體的加速度，則如果顆粒的加速度和流體的加速度相差不大，那么流體的密如果顆粒的加速度和流體的加速度相差不大，那么流體的密度通常小于顆粒的密度，所以壓力梯度力的量級很小，可度通常小于顆粒的密度，所以壓力梯度力的量級很小，可以忽略不計。以忽略不計。ppppppFxmaaggpax

10、pggppppFamaa多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 當(dāng)顆粒相對于流體作加速運動時，不但顆粒的速度越當(dāng)顆粒相對于流體作加速運動時，不但顆粒的速度越來越大，而且周圍的流體的速度亦會增大。推動顆粒來越大，而且周圍的流體的速度亦會增大。推動顆粒運動的力不但增加顆粒本身的動能，而且也增加了流運動的力不但增加顆粒本身的動能，而且也增加了流體的動能，故這個力將大于加速顆粒本身所需的體的動能，故這個力將大于加速顆粒本身所需的 ，這好象顆粒質(zhì)量增加了一樣。加速這部分增加質(zhì)量的這好象顆粒質(zhì)量增加了一樣。加速這部分增加質(zhì)量的力叫做力叫做虛假質(zhì)量力，也叫，也叫表觀觀質(zhì)量效應(yīng)。p pma5. 虛假質(zhì)量力虛假質(zhì)量力1(

11、)2gpVmgpdvdvFVdtdt虛假質(zhì)量力實際上是由于顆粒作變速運動引起的顆粒表面上虛假質(zhì)量力實際上是由于顆粒作變速運動引起的顆粒表面上的壓力分布不對稱而形成的。的壓力分布不對稱而形成的。多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 設(shè)流體靜止、無粘、不可壓縮，顆粒反設(shè)流體靜止、無粘、不可壓縮，顆粒反x方向以方向以 作變速直線運作變速直線運動。為了方便，采用固接與顆粒上的動坐標(biāo)系來研究顆粒的絕對動。為了方便，采用固接與顆粒上的動坐標(biāo)系來研究顆粒的絕對運動。運動。 對于球坐標(biāo)下的軸對稱運動問題，由以上條件可得對于球坐標(biāo)下的軸對稱運動問題，由以上條件可得 即：即： ( )pv t20 21()(sin) 0s

12、inrrr 多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 邊界條件邊界條件 1 球形顆粒表面處球形顆粒表面處 2 無窮遠(yuǎn)處無窮遠(yuǎn)處 pr r( )( )cos)( )cospprr rpr rpvv tv tr即：（0()0)rv 即 ： (r多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 通過求解方程，可得速度矢函數(shù)：通過求解方程，可得速度矢函數(shù)： 根據(jù)速度矢函數(shù)可得顆粒表面的速度：根據(jù)速度矢函數(shù)可得顆粒表面的速度： 按動坐標(biāo)系中的柯西拉個朗日積分可以求得流場中的壓按動坐標(biāo)系中的柯西拉個朗日積分可以求得流場中的壓力分布。力分布。 柯西拉格朗日積分為：柯西拉格朗日積分為： 32( , )( )cos2pprrvtr()()(

13、)cos11()()( )sin2pppprr rr rpr rr rpvvtrvvtr 多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 在不計及質(zhì)量力的情況下，則質(zhì)量力的矢函數(shù)在不計及質(zhì)量力的情況下，則質(zhì)量力的矢函數(shù)U0，而無窮遠(yuǎn)處流體為靜止?fàn)顟B(tài)，故：而無窮遠(yuǎn)處流體為靜止?fàn)顟B(tài)，故：1( )2( ):( )(cossin)eepeprv vv vUf ttvvtvvtii g式中 為動坐標(biāo)系的牽連速度，現(xiàn)為球心速度p壓力矢為： ( )gpf t多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)3223232233262632266222( )cos2( )( )(cossin)2( )( )( )1(cossin)cos242( )

14、9( )(1sin)cos242ppppppgpppppppgg ppprdv trdtv t rv t rprrv t rv t rrdv trrrdtrrrdv tv tdtg速度矢函數(shù)對時間的微分為：t根據(jù)以上分析可得：p當(dāng)時： p=p多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)由上式可以看出，在球形顆粒作由上式可以看出，在球形顆粒作 變速直線運動時，球表面所受的壓力比勻速運動變速直線運動時，球表面所受的壓力比勻速運動時增加了一項：時增加了一項： 對此式沿球表面進(jìn)行積分即可得到虛假質(zhì)量力計算公式對此式沿球表面進(jìn)行積分即可得到虛假質(zhì)量力計算公式 如果流體以瞬時速度如果流體以瞬時速度 運動，顆粒的瞬時速度為

15、運動，顆粒的瞬時速度為 ，那么顆粒相對于流體得加速度為，那么顆粒相對于流體得加速度為 則此時得虛假質(zhì)量效應(yīng)力為：則此時得虛假質(zhì)量效應(yīng)力為：從上式可以明顯的看出虛假質(zhì)量力數(shù)值上等于與顆粒等體積的流體質(zhì)量附在顆粒上作從上式可以明顯的看出虛假質(zhì)量力數(shù)值上等于與顆粒等體積的流體質(zhì)量附在顆粒上作加速運動時的慣性力的一半。加速運動時的慣性力的一半。實驗表明，實際的虛假質(zhì)量力將大于理論值，因此用一個經(jīng)驗常數(shù)實驗表明，實際的虛假質(zhì)量力將大于理論值，因此用一個經(jīng)驗常數(shù) 代替上式中的代替上式中的0.5.重要結(jié)論：由于氣固兩項流中重要結(jié)論：由于氣固兩項流中 因此虛假質(zhì)量力與慣性力相比較是很小的，特因此虛假質(zhì)量力與慣

16、性力相比較是很小的，特別是相對運動不大時，虛假質(zhì)量力可以不予考慮。別是相對運動不大時，虛假質(zhì)量力可以不予考慮。( )cos2g pprdv tdt( )12pVmpgdvtFvdt gvpv()pgrpgdvdvdvdvvdtdtdtdt1()2gpVmgpdvdvFVdtdtmKgp多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)6 Basset力力 當(dāng)顆粒在靜止的粘性流體中作任意速度的直線運動時，顆粒不但受粘性阻力和虛假質(zhì)量力的作用，而且受到一個瞬時流動阻力的作用，它計及了顆粒的加速歷程，在這個加速過程中, Basset力對顆粒的運動有較大的影響。232gptBpgdvdvddFddt 多相流體動力學(xué)多相流體

17、動力學(xué)有計算公式可以看出，Basset力只發(fā)生在粘性流體中，并且與流動的不穩(wěn)定性有關(guān)。Odar進(jìn)行的實驗研究表明，Basset 力同時依賴于加速度的模數(shù)，如把上式改寫為則可由下列關(guān)聯(lián)式得到：232gptBpgdvdvddFddt 24gptBBpgdvdvKddFddt 33.122.88(1)BKAc多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) Basset力只發(fā)生在粘性流體中，并且時與流動的不力只發(fā)生在粘性流體中，并且時與流動的不穩(wěn)定性有關(guān)的。穩(wěn)定性有關(guān)的。 例如，放在靜止流體中的平板，給他一個脈沖式例如，放在靜止流體中的平板，給他一個脈沖式啟動，那么，隨著平板處動量的擴散，邊界層就啟動，那么，隨著平板處

18、動量的擴散，邊界層就會發(fā)展，邊界層產(chǎn)生的剪切力隨時間而連續(xù)變化，會發(fā)展，邊界層產(chǎn)生的剪切力隨時間而連續(xù)變化，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件才停止。直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件才停止。 在此過渡時期內(nèi)，剪切力與穩(wěn)態(tài)值的差異就是在此過渡時期內(nèi)，剪切力與穩(wěn)態(tài)值的差異就是Basset力。力。多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)7 Magnus升力升力lg gFv根據(jù)升力定理，由于顆粒的旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生升力，其根據(jù)升力定理，由于顆粒的旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生升力，其表達(dá)式為表達(dá)式為 ,在靜止流體中在靜止流體中313lPggFdv若顆粒在流體中邊運動邊旋轉(zhuǎn)，此時的升力可由若顆粒在流體中邊運動邊旋轉(zhuǎn)，此時的升力可由 Rubinow和和 Keller 提出的公式

19、計算提出的公式計算31()8lPggpFd 但是上式仍是相對雷諾數(shù)很小時才適用。多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)1. 流場中有速度梯度存在，使沖刷顆粒的力量不均勻。 Jeffery在低剪切雷諾數(shù)情況下推出顆粒的旋轉(zhuǎn)速度 為： 2.顆粒形狀不規(guī)則，使得各點所受的形狀阻力和摩擦阻力不不一樣。當(dāng)顆粒形狀不規(guī)則時，即使流場中不存在速度梯度，顆粒也會旋轉(zhuǎn)，這是由于顆粒所受的形狀阻力和摩擦阻力不一樣所造成的，旋轉(zhuǎn)力矩的存在是的顆粒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。3煤粒之間相互碰撞、摩擦或與管壁、爐壁間的碰撞、摩擦而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)。4 由于不均勻蒸發(fā)、揮發(fā)物釋放及其燃燒等熱質(zhì)交換過程而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。 12u 顆粒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的原因：顆粒產(chǎn)

20、生旋轉(zhuǎn)的原因：多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 對于顆粒而言，其在流場中的運動是邊運動邊高速旋轉(zhuǎn)。下表為顆粒在氣流中對于顆粒而言，其在流場中的運動是邊運動邊高速旋轉(zhuǎn)。下表為顆粒在氣流中及和壁面碰撞后的旋轉(zhuǎn)速度。及和壁面碰撞后的旋轉(zhuǎn)速度。 由實驗可知由實驗可知:不規(guī)則形狀的煤粒比球形石英球旋轉(zhuǎn)速度更大不規(guī)則形狀的煤粒比球形石英球旋轉(zhuǎn)速度更大.如果顆粒和壁面碰撞如果顆粒和壁面碰撞則旋轉(zhuǎn)速度將增大幾倍，壁面越粗糙，增加的倍數(shù)越大。則旋轉(zhuǎn)速度將增大幾倍，壁面越粗糙，增加的倍數(shù)越大。 顆粒直徑顆粒直徑在氣流中的平均轉(zhuǎn)速在氣流中的平均轉(zhuǎn)速(r/s)在碰撞后的平均旋轉(zhuǎn)在碰撞后的平均旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速(r/s)煤粒煤粒

21、2mm石英球石英球2.5mm石英球石英球10mm231.0 10 1.0 1030.46 1030.21 1033.96 10 (與有機玻璃板)35.38 10 (與有機玻璃板)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 顆粒在有速度梯度的流場中運動，由于上部B處的速度比下部處的速度高，因此處的壓力就低于處的壓力顆粒將受到一個升力的作用，這個力稱為saffman力。Saffman和 Magnus不同，它不是因為顆粒的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的。8 Saffman升力升力pU/gdudykAB多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)Saffman 在低雷諾數(shù)的情況下，對平面剪切流繞圓球的流動運用奇異攝動法求得了顆粒的升力，表達(dá)式為：

22、該公式對于 是有效的，在比較高的雷諾數(shù)時，saffman還沒有相應(yīng)的公式，從式可見saffman升力和速度梯度有關(guān)聯(lián)，一般在速度的主流區(qū)速度梯度一般都很小，故此時可忽略saffman升力的影響，僅在速度邊界層中，saffman升力的影響才變的很明顯。21221.61()()gsgpgpduFduudy1peR多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)9 顆粒在不等溫情況下所受的熱泳力顆粒在不等溫情況下所受的熱泳力2191 31 22gtgppthpgggmtpppmtgpklckrFrTlklTccrkrclckk熱泳力的理論計算公式：為動量系數(shù)；為流體分子自由行程；為溫度系數(shù)；和 為流體和顆粒的傳熱系數(shù)。

23、多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 熱泳的概念： 在燃燒及傳熱設(shè)備中到處存在大小不同的溫度梯度，燃燒顆?；蝻w灰處在有溫度梯度的流場中，將受到來自高壓區(qū)的熱壓力而向低壓區(qū)遷移，這種現(xiàn)象稱為熱泳。 熱泳力的概念： 在有溫度梯度的流場中，使顆粒由高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的力通常稱為熱泳力。 多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) R.Lee Byers 通過使不同溫度、不同流速的含塵氣流通過直徑為8mm的帶有水冷外套的管子進(jìn)行實驗，同時要求管內(nèi)流速遠(yuǎn)大于顆粒沉降速度，研究結(jié)果表明： 1 顆粒直徑越大，搜集效率越小，它說明熱泳力對細(xì)小顆粒作用明顯。 2 在相同的顆粒直徑下，溫差越大，搜集效率越高，亦即在溫差大的情況下熱泳力

24、大。 3 流速和雷諾數(shù)變化不大時，顆粒搜集效率變化不大。在 時流速增大， 搜集效率反而增加。 4 如果管壁是熱的，而氣流是冷的，則微細(xì)粉塵顆粒就不沉積在管子內(nèi)表面上。 0.6pdm多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)通過熱泳力和重力及其旋轉(zhuǎn)升力的比較，可以得出：對于直徑小于5 m的燃料顆粒，在邊界層中熱泳力起著重要的作用，作用力的方向是使顆粒沉向受熱面。多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)10 光電泳和聲泳簡介光電泳和聲泳簡介 暴露在能級非常高的光能中的顆?；野l(fā)生運動，產(chǎn)生這樣運動的原因是顆粒吸收光能以及隨后加熱附近的氣體分子，此作用和熱泳力相識。但是，光電泳作用可能是完全沒有規(guī)律的運動，也可能在諸多外力作用

25、下向一方向運動，光電泳運動可以描述成放大的布朗運動，光打擊在顆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勻，再加上形狀不規(guī)則，就使得局部氣體分子加熱不勻而使各個顆粒做極不規(guī)則的運動。光電泳由于又很多復(fù)雜的因素，從而使得計算及其困難。 在聲場中的顆粒也將受到作用并產(chǎn)生漂移運動，顆粒會隨氣體振動而達(dá)到一定的程度，會在氣體介質(zhì)中循環(huán)，也會由氣體的縱向運動而漂移到平直方向多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué) 帶有電荷的顆粒在運動中將受到靜電力的作用，靜電力的大小由庫侖定律決定。設(shè)兩個帶電顆粒所帶的電荷為 ，它們之間的距離為S，則它們之間的靜電力為： 式中 為真空介電常數(shù)。 若一個帶電顆粒在充有非導(dǎo)電

26、氣體的電場中運動時，它所受的靜電力為 一個中性顆粒在電場中運動時由于氣態(tài)粒子的擴散作用，在顆粒上會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，此感應(yīng)電荷簡稱為鏡像電荷力，一經(jīng)荷電，顆粒就像電荷那樣相互排斥，從而減少了和氣態(tài)粒子碰撞再荷電的幾率，倘若顆粒已獲得飽和電荷，則此荷電粒子產(chǎn)生的電場等于施加的電場。鏡像電荷力的大小可由下列方法確定。設(shè)一帶電顆粒其電荷為 ，在它的周圍存在有電場，一中性顆粒進(jìn)入該電場后就會感應(yīng)電荷。1,2q q12214eoq qFSoepFqE n eE12 顆粒所受的靜電力顆粒所受的靜電力多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)電泳電泳多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)電泳力計算電泳力計算多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)

27、介電泳介電泳多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)介電泳力計算介電泳力計算1. Dipole moment (偶極矩）方法Clausius-Mossotti系數(shù) 2. Maxwell stress tensor 方法多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)14 顆粒間范德華力顆粒間范德華力 通常顆粒是沒有極性的，但由于構(gòu)成顆粒的分子通常顆粒是沒有極性的，但由于構(gòu)成顆粒的分子和原子，特別是顆粒表面分子和原子的電子運動，和原子，特別是顆粒表面分子和原子的電子運動，顆粒將有瞬時偶極。當(dāng)兩顆粒相互接近靠近時，顆粒將有瞬時偶極。當(dāng)兩顆粒相互接近靠近時，由于瞬時偶極的作用，兩顆粒間將產(chǎn)生相互吸引由于瞬時偶極的作用，兩顆粒間將產(chǎn)

28、生相互吸引的作用力，稱為顆粒間的范德華力。的作用力，稱為顆粒間的范德華力。01201212dwd dAFZ dd 212,kermmAn n CHama012常數(shù),Z 為顆粒間距離,n ,n 為顆粒分子密度多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)1201212ppVVmmn n UdV dV 兩顆粒間引力勢能為 U0012001212dwppUd dAFZZ dd 多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)14.2 范德華力的影響因素范德華力的影響因素 1.吸附氣體的影響吸附氣體的影響多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)2. 顆粒變形的影響顆粒變形的影響多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)3.表面粗糙度的影

29、響表面粗糙度的影響多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)15. 顆粒間的毛細(xì)力顆粒間的毛細(xì)力多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)14. 典型爐內(nèi)顆粒各種受力的分析典型爐內(nèi)顆粒各種受力的分析 設(shè)氣流為周期性脈動的平直流，其流場速度為20m/s，脈動頻率f=100Hz,脈動振幅A=10%，顆粒旋轉(zhuǎn)速度n=1000r/s,顆粒初速度為0，y方向速度梯度 ，溫度梯度為sdydg/101mCdydTog/100多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)各種力的數(shù)量級各種力的數(shù)量級pd各種力的名稱1

30、 m100m10mrF氣流阻力pF壓力梯度力lF旋轉(zhuǎn)升力sSaffmanF升力vmF虛假質(zhì)量力BBassetF力tF熱致牽移力gF重力120.5910150.1510120.151070.821090.151080.8210110.8210150.2610140.821090.1510100.7210160.531090.3310130.6410120.2810130.2010140.191080.7610100.6210120.5810110.7710140.7710120.201080.7710多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)10pdm5pdm 由表可以看出，在各種不同的煤粉顆粒條件下，虛假質(zhì)

31、量效應(yīng)，壓力梯度力和Saffman升力的數(shù)量級極小，因而可以在爐內(nèi)顆粒運動的計算中忽略。 溫度梯度引起的熱泳力，在顆粒直徑較大時( )其數(shù)量級和重力相比也甚微，只有當(dāng)顆粒直徑很?。ㄒ话?）時，其數(shù)量級和重力相等或超過重力。由此可見，熱泳力對細(xì)小顆粒的作用將是很大的，而對較大的顆?？梢院雎詿嵊玖Φ挠绊?。 旋轉(zhuǎn)升力的數(shù)量級在各種情況下均和重力為同一數(shù)量級，它起著平衡重力的作用，使煤粉在爐內(nèi)或管道內(nèi)能夠安全輸運而不至于沉降。 在湍流脈動運動中，顆粒不但受粘性阻力和虛假質(zhì)量力的作用，而且還受到一個瞬時流動阻力，即Basset力。多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)理論研究理論研究 近似的數(shù)值模擬近似的數(shù)值模擬

32、 雙流體法（連續(xù)介質(zhì)模型）雙流體法（連續(xù)介質(zhì)模型） 離散粒子模型離散粒子模型 直接數(shù)值模擬直接數(shù)值模擬 基于貼體網(wǎng)格基于貼體網(wǎng)格 有限元有限元 差分差分 基于非貼體網(wǎng)格基于非貼體網(wǎng)格 有限元有限元 差分差分 格子玻爾茲曼方法格子玻爾茲曼方法 低雷諾數(shù)下低雷諾數(shù)下Stokesian動力學(xué)動力學(xué)數(shù)值研究數(shù)值研究多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)雙流體模型雙流體模型0)()(kikkikkvxt()()()()gkkkikkkikjkkkijik ikikijipgtxxx 多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)雙流體模型雙流體模型)31)(21(2kgigjggggxxxkjiij)31)(21(2)(ksisj

33、sssijksssssxxxxpkjikijTgepssss0)1(21固相壓力固相壓力固相的剪切粘度固相的剪切粘度210)(1 (54Tegdssss 固相的體積粘度固相的體積粘度210)(1 (34Tegdssss固相的應(yīng)力張量固相的應(yīng)力張量 氣相牛頓粘性應(yīng)力方程氣相牛頓粘性應(yīng)力方程多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)離散粒子模型離散粒子模型多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)空化（空化（Roger EA Arndt）Definition Cavitation is the gas-liquid region produc

34、ed by a localized pressure reduction created by inertial forces in a fluid How Is a Region of Cavitation Produced? Boundary CurvatureVorticesTurbulenceTransient expansion waves多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)Why Study Cavitation? Has been an important topic in engineering science for well over 100 years. Any device h

35、andling liquids is subject to cavitation. Can adversely affect the performance of turbomachinery, the thrust of propulsion systems and the accuracy of fluid meters. Noise, vibration and erosion occur in many applications 多相流體動力學(xué)多相流體動力學(xué)Why Study Cavitation? Important in applications such as ultrasonic cleaning, homogenization of milk, enhanced chemical processes through coagulation, formation of suspensions and degassing of liquids. Cavitation can be used to increase heat and mass transfer in liquids, to promote