固液两相二次流现象及其研究_湛含辉

引用格式：但植华, 吴森林, 管英柱, 等. 基于CFD 的弯管数值计算及水力特性分析[J]. 中国测试，2023, 49(3): 142-151. DAN Zhihua, WU Senlin, GUAN Yingzhu, et al. Numerical calculation and hydraulic characteristics analysis of elbow based on CFD[J].China Measurement & Test, 2023, 49(3): 142-151. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2021100118基于CFD 的弯管数值计算及水力特性分析但植华， 吴森林， 管英柱， 纪国法， 张金发， 陈 菊(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)摘　要: 为探究弯管局部水头损失影响因素，揭示弯管内部流场、二次流分布情况，用六面体结构化网格对弯管进行O 型剖分，采用RNG k-ε模型对不同雷诺数、不同相对弯曲半径、不同弯曲角度、不同管径的三维弯管进行数值模拟研究，计算结果与其他学者的实验结果相吻合。

结果表明，局部阻力损失系数ζ随着雷诺数的增大而减小，当雷诺数较小时，随着雷诺数增大，局部阻力损失系数降幅较大，当雷诺数较大时，随着雷诺数的增大，开始进入阻力平方区，局部阻力损失系数趋于稳定；局部阻力系数ζ随着相对弯曲半径跟直径的增大呈多项式减小，随着弯曲角度呈线性增加；当相对弯曲半径增加到一定范围时，在弯曲角度大于π/4的情况下，角度的变化对二次流的影响不再明显；对模拟数据结果采用SPSS 进行多元非线性回归分析，给出弯管局部阻力系数准则关系式；在管道设计或工程应用中，条件允许的情况下，尽量采用相对弯曲半径、直径较大，弯曲角度较小的管道，以降低能量损耗，同时，在弯头凹侧进行相关保护措施，防止压力过大造成管壁破坏，以期提高弯管的使用寿命。

二次流初识苏志鑫物理工程学院 14级物理本硕Email:*****************摘要;沿一边界的流动因受到横向压力的作用，产生了平行于边界的偏移，则靠近边界的流体层由于速度较小，就比离边界较远的流体层偏移得厉害，这就导致了叠加于主流之上的二次流。

关键词:二次流、欧拉平衡方程、离心力、压强、边界生活中的二次流现象在天然河道中，在弯道处，由于二次流而使河底处水流所携带的沙子、砾石等从弯段的外侧移走，而在弯段的内侧堆积起来，结果造成河道的外侧被掏深而内侧则变浅。

这种情形与外侧更大流速水流的冲刷相结合，就使弯段的弯曲程度越来越显著。

所以，只要可能，河道总是弯弯曲曲的。

还比如水盆里的水，旋转起来后底部的沙子由于二次流的缘故总是会向中心汇集典型二次流分析一个典型例子是Edward S.Taylor的茶杯模型当我们不停地搅拌杯中茶水使其大体上形成环形流向，茶叶会集结在杯的底部。

茶叶的密度比液体密度大，从离心力角度看，茶叶有从液体中分离的趋势。

然而，一般人会认为茶叶应分散在周围而不是集结在杯底的中央，因此必定存在某种其他的因素使它们汇集在杯底中央。

对于给定的流体作旋转运动时，其径向欧拉方程式如图。

对于一定的压力梯度ðρ/ðr，速度v越小，则流体和粒子运动的半径r越小。

在该茶杯实验中，假定主流无垂直压力梯度，那么，为了保证流体各质点作圆周旋转运动，必须使流体径向压力梯度在任何深度是一样的。

假设茶杯底部边界只占整个流体深度的一小部分，则边界层以外的主流保持一定的压力梯度。

由于边界层流体速度较小，它的离心加速度不足以平衡其压力梯度，所以该流体带着茶叶被迫向茶杯中心运动。

换句话说，假定的主方向水流并不能满足在径向方向任何一处的动量方程，这样就必须对水流校正以便给实际存在水流一个合理的近似解，这一校正称之为二次流下面由欧拉微分方程推导出液体的压力关系{ƒx−1ρðPðx=dυxdtƒy−1ρðPðy=dυydtƒz−1ρðPðz=dυzdt在柱坐标下只受到重力作用，假设无垂直速度变化，由dυdt=ω2r则可转化为{1ρðPðx=ω2r cosα1ρðPðy=ω2r sinαg−1ρðPðz=0可得dP=ρ(ω2xdx+ω2ydy−gdz)积分得P=ρ(12ω2y2+12ω2x2−gz)+CP=ρ(12ω2r2−gz)+C根据边界条件r=0，z=0，P=P0可求得积分常数C=P0,可得P=ρg(ω2r22g−z)+P0由式子可见，在同一高度上，液体的静压强沿径向按半径的二次方增大。

硕士学位论文流化床内固液两相流特性及底板布孔优化的模拟研究张泽伟学科名称：港口、海岸及近海工程学科门类：工学指导教师：魏文礼教授申请日期：2017年6月西安理工大学硕士学位论文流态也变得不稳定。

随载体初始填充高度的增大，流化床内载体体积分数相应变大，轴向速度减小，床层膨胀率有小幅波动，流速均匀性和流态都变差。

随流化床入口处液体速度的增大，流化床内载体体积分数减小，床层膨胀率和轴向速度均有明显增大，流速均匀性变差。

（4）通过对流化床内的载体体积分数、载体轴向速度分布及流速不均匀系数等的分析比较后得出：载体颗粒的密度为1500 kg/m3，载体粒径为1mm，载体初始填充高度为0.3m，流化床入口处液体速度为0.15m/s时为所给定生物流化床的最优载体属性和运行参数。

对提高流化床的污水处理效率最为有利。

关键词：流化床；数值模拟；固-液两相流；流场流态；固相体积分数；紊动动能II西安理工大学硕士学位论文solid-liquid two-phase flow in fluidized bed. Through the validation of second model we found that the selected multiphase flow model ,turbulence model, solving method and boundary conditions are in good agreement with the experimental data.. It can concluded that the selected numerical method, mathematical model and boundary conditions can well simulate the flow characteristics of the solid-liquid two-phase flow in fluidized bed.(2) By comparing different distributors, It is concluded that when particle distributor A was installed particles was completely fluidized and formed a uniform flow layer, no local high concentration area, axial concentration fluctuations but not much, and had the most uniform concentration compared others distributors in fluidized bed.When the distribution plate A is set the axial velocity distribution in the fluidized bed is more uniform, and the radial velocity distribution range of the particles is obviously much than that of other distributions, the maximum radial velocity is 0.17m/s, and the collision and friction between the particles is more intense.(3) In the same initial conditions, with the increase of the size of the carrier, the particles volume fraction, axial velocity, and expansion height of the bed decreases reduced the flow rate, the variation of uniformity and flow pattern become severe.With the increase of particles density, the volume fraction of the particle increases, but the expansion height of the bed and axial velocity decreases, the uniformity of velocity and flow pattern becomes worse.With the increase of the initial filling height of the particle, the volume fraction of the particles in the fluidized bed increases, the axial velocity decreases, and the bed expansion rate has a slight fluctuation. With the increase of the liquid velocity at the entrance of the fluidized bed, the volume fraction of the particle in the fluidized bed decreases, and the bed expansion rate and the axial velocity increase obviously.(4)The volume fraction, axial velocity distribution and non-uniform coefficient of velocity of the particles are compared when the different conditions, that found the particle density is 1500 kg/m3, the particle size of 1mm, initial filling height is 0.3m, the liquid velocity at the entrance of the fluidized bed is 0.15m/s was the optimal particle properties and running parameters for the given biological fluidized bed, it can improve the sewage treatment efficiency of fluidized bed..Key words: Fluidized Bed; Numerical Simulation; Solid-Liquid Two-Phase Flow ；Flow Field Structure; Particle V olume Fraction; Turbulent Kinetic EnergyⅡ目录目录摘要 (I)Abstract (I)目录 (I)1 绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.1.1 我国目前污水处理概况 (1)1.1.2 生物膜污水处理法 (1)1.1.3 生物流化床的发展与特点 (1)1.2 流化床反应器的原理与分类 (2)1.2.1 液流动力流化床 (3)1.2.2 气流动力流化床 (3)1.2.3 机械搅拌流化床 (4)1.3 国内外研究进展 (5)1.3.1 流化床的结构型式 (5)1.3.2 流化床的流体力学特性 (7)1.3.3 流化床的主要操作参数 (9)1.3.4 动量和热量传递 (10)1.3.5 生物化学反应 (11)1.4 本文主要研究内容 (11)2 流化床固液两相流数值模拟理论 (13)2.1 算流体力学在模拟生物流化床中的发展及应用 (13)2.2 CFD模拟与模型试验 (13)2.3 CFD的求解过程 (13)2.4 CFD基本控制方程 (14)2.4.1 质量守恒方程 (14)2.4.2 动量守恒方程 (14)2.5 湍流模型概述 (14)2.5.1 标准k-ε模型 (15)2.5.2 RNG k-ε模型 (15)2.5.3 Realizable（可实现）k-ε模型 (16)I西安理工大学硕士学位论文II 2.5.4 Reynolds应力模型 (16)2.6 多相流模型概述 (17)3 模型验证 (26)3.1 数学模型 (26)3.2 模型验证一 (26)3.2.1 计算区域与网格划分 (26)3.2.2 初始条件和边界条件 (27)3.2.3 模型比较 (27)3.3 模型验证二 (30)3.3.1 计算区域与网格划分 (30)3.3.2 初始条件和边界条件 (31)3.3.3 模型验证 (32)3.4 本章小结 (35)4 载体分布板对流化床流场影响的分析 (36)4.1 流化床数值模拟 (36)4.1.1 计算区域与网格划分 (36)4.1.2 边界条件及求解方法 (37)4.2 各分布板对载体体积分数分布的影响 (38)4.3颗粒分布板开孔形式对流场影响 (40)4.3.1 固相流速分析 (40)4.3.2 湍动动能及流速不均匀系数分析 (43)4.4 本章小结 (44)5.颗粒属性和操作参数对流化床流场影响的分析 (45)5.1 载体密度对流化床内流动特性影响 (45)5.2 不同载体填充高度下流场特性的比较 (48)5.3 同一比重和粒径，不同操作速度下流场特性的比较 (51)5.4 不同粒径时流场特性的比较 (55)5.5 本章小结 (57)6 总结与展望 (59)6.1 研究成果总结 (59)目录6.2 不足与展望 (60)致谢 (61)参考文献 (62)附录 (67)A 攻读硕士期间发表的论文 (67)B 攻读硕士期间参与的项目 (67)C 攻读硕士学位期间获得的荣誉 (67)III1 绪论1 1 绪论1.1 研究背景与意义1.1.1 我国目前污水处理概况当前国家在环境治理方面投入了大量的人力和物力，尤其是在污水处理方面取得了较好的成绩，污水处理技术也有了较大的发展，尤其是在生物污水处理和活性污泥污水处理方面有了很大的突破。

90°弯管内二次流(迪恩涡)的数值模拟
湛含辉;朱辉;陈津端;王刚
【期刊名称】《锅炉技术》
【年(卷),期】2010(041)004
【摘要】弯管广泛地存在于工业应用的多个领域中,为研究弯管内速度场和压力场的分布,采用CFD技术对不同流态下圆形截面90°弯管内的二次流(迪恩涡)进行了数值模拟.模拟过程采用有限体积法进行空间离散,并利用带旋流修正的k-ε模型进行计算.模拟结果表明:层流状态下沿流动方向截面上的峰值速度和峰值全压变化较小,涡核位于半截面中心;当流体处于过渡区时,流动方向截面上的峰值全压呈递减趋势,峰值速度在0～60°截面上递减,在90°截面上突增,并且涡核开始出现"外扩";完全湍流区时,流动方向截面上的峰值全压显著递减,涡核位置明显"外扩".
【总页数】5页(P1-5)
【作者】湛含辉;朱辉;陈津端;王刚
【作者单位】湖南工业大学环境保护研究所,湖南株洲412008;湖南工业大学环境保护研究所,湖南株洲412008;中国地质大学环境学院,湖北武汉430074;湖南工业大学环境保护研究所,湖南株洲412008
【正文语种】中文
【中图分类】TB126
【相关文献】
1.迪恩涡影响弯管流体运动能量耗散的数值研究 [J], 钟乐;肖乃玉;
2.迪恩涡影响弯管流体运动能量耗散的数值研究 [J], 钟乐;肖乃玉
3.弯管内迪恩数对幂律流体二次流影响研究 [J], 许甜甜;张浩;王钰翔;姚聚鹏
4.弯管压降随迪恩涡的变化规律及数值模拟 [J], 湛含辉;朱辉;李灿;马满英
5.细小直角弯管流道的压力损失及迪恩涡特性 [J], 汪建兴;王海民;饶玲
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固液两相流离心泵内部流场的数值模拟研究的开题报告
一、课题背景
液固两相流离心泵是一种广泛应用于化工、轻工、环保等领域的设备，其主要功能是将高纯度、低浓度的悬浮固体物料输送至目标容器中。

离心泵作为一种传动压力更大，精度更高的设备，广泛应用于化工生产过程的悬浮液、乳化液、填料液、废水等的管道式输送。

而开展基于数值模拟技术的固液两相流动研究，对于提高离心泵的性能和对机理的深入认识具有重要的意义。

二、研究目的
本次研究旨在通过对离心泵内部流场进行数值模拟，分析悬浮物料在叶轮内的运动规律，探究流场特性对离心泵性能的影响因素及其内在机理，在提高悬浮物料输送效率和泵的稳定性等方面进行探究。

三、研究内容
1.建立固液两相流离心泵的数学模型，探究泵的叶轮、前后盖板、泵壳等部位的紊流特性以及固相颗粒在泵内水动力场中的运动轨迹和浓度分布规律；
2.采用计算流体力学（CFD）方法对离心泵内部流场进行数值模拟，分析和对比不同工况下流场的变化规律，揭示流场特性对泵的性能的影响因素及机理；
3.结合实验数据，对模拟结果进行验证，评估离心泵的性能，提出提高泵性能的方案和措施。

四、研究意义
1.深入了解离心泵内部流场特性和固相颗粒在流场中的运动规律，从理论上认识固液两相流动和输送机制，为优化设备的基础研发提供理论依据；
2.科学分析和评估离心泵性能的变化规律，为工程实际应用提供参考，优化设计和工艺参数；
3.扩展离心泵的应用领域，为提高化工、环保等领域固液分离和传输效率提供帮助。

固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究近年来，随着科学技术的迅猛发展，固液两相流和颗粒流的工程应用日益增多，因此这些研究的研究日趋深入。

与这些领域的其它技术不同，固液两相流和颗粒流是一种复杂的系统，受到多种因素的影响，包括物理性质、流体动力学和流体流动等，它们的运动特性受到外部环境的巨大影响。

因此，对固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究具有重要意义。

本文将就固液两相流和颗粒流的运动特性进行分析，并结合实测数据进行深入探讨。

固液两相流与颗粒流的运动特性通常可分为流体粒子运动特性、粒子间相互作用特性、粒子边界表面特性、质量传输特性和流体动力学特性等几个方面。

流体粒子运动特性是指固液两相流和颗粒流在外界力作用下的运动规律，比如流体的总体运动方向、流体流速和应力状态等。

粒子间相互作用特性指的是粒子之间的相互作用，包括粒子的互相依赖、粒子的能量转化和粒子的互相影响等。

粒子边界表面特性是指粒子边界表面与固液两相流和颗粒流之间的相互作用，可以影响流体流动和影响粒子间相互作用。

质量传输特性指的是在固液两相流和颗粒流中，物质的传热和传质状态，可以影响粒子的运动规律。

流体动力学特性指的是在液体流动方面，流体的总体压力、动能代数、应力状态等，它们可以影响固液两相流和颗粒流的运动特性。

结合实测数据，我们发现，固液两相流和颗粒流的运动特性是一个复杂的耦合系统，由多种因素共同作用而形成。

流体粒子运动特性是由多方面因素共同作用形成的，特别是受外界环境因素的影响比较大，这些因素包括流体粘性，流体压力，流体温度，流体流动等。

粒子间相互作用特性受到粒子间离子层结构和粘性等方面的影响，也受到物质传输的影响，当物质传输的速率高于粒子间的离子层结构时，粒子间的相互作用会变得很弱。

粒子边界表面特性受到流体的浸润性影响，因此，粒子边界表面的粘性系数是关键因素之一。

质量传输特性是由物质的传热和传质状态共同决定的，物质的传输能力受到表面张力和质量流率的影响，这关系到粒子之间的聚集程度。

第26卷第1期水利电力机械Vol.26　No.1　2004年2月W ATER C ONSERVANCY &E LECTRIC POWER M ACHI NERYFeb.2004　・机械设计与制造・固液两相流离心泵破坏机理及其防治技术综述The summary of the breakdown mechanism and prevention technology oftw o 2phase flow centrifugal pum p杨敦敏,陈刚,叶海燕Y ANG Dun 2min ,CHE N G ang ,YE Hai 2yan(西安理工大学水利水电学院,陕西西安　710048)(C ollege of water conservancy &hydraulic electric of X i ’an University of T echnology ,X i ’an 710048,China )摘　要:对固液两相流离心泵叶轮破坏机理研究现状进行了归类综述,对各种防护措施进行了总结,并提出了进一步研究的内容和方向。

关键词:固液两相泵;破坏机理;防治;综述中图分类号:TH311 文献标识码:A 文章编号:1006-6446(2004)01-0039-05Abstract :This article classifies and summarizes all kinds of fruit on tw o 2phase flow centrifugal pump breakdown mecha 2nism.Prevention measures are presented.Further study orientations are discussed.K ey w ords :tw o 2phase flow centrifugal pump ;breakdown ;prevention ;summary收稿日期:2003-04-03基金项目:扬州大学江苏省水利动力工程重点实验室开放课题基金资助项目(K JS03088)作者简介:杨敦敏(1973-),男,西安理工大学水利水电学院硕士研究生,主要从事多相流数值模拟、水力机械泥沙磨蚀等方面的研究。

液固两相流在工程流体力学中的应用分析液固两相流是指同时存在液态和固态物质的流动状态。

在工程流体力学中，液固两相流的研究具有重要的理论意义和应用价值。

本文将从液固两相流的定义、性质、应用领域以及分析方法等方面进行探讨和分析。

首先，液固两相流的定义是指液态和固态物质以不同的形式共存，并在流动中相互作用的现象。

在实际应用中，液固两相流广泛存在于多个领域，如化工工艺、环境工程、石油钻井等。

液固两相流具有较复杂的物理特性，包括颗粒浓度、颗粒尺寸分布、流动模式等，这些特性对流体的性质和运动行为有较大影响。

其次，液固两相流在工程流体力学中的应用十分广泛。

在化工工艺中，液固两相流的分析可以用于选择合适的设备和工艺参数，以达到更好的反应效果和产品质量。

在环境工程中，液固两相流的研究可用于处理废水、废气和固体废物，提高环境污染治理效果。

在石油钻井中，液固两相流的分析有助于优化井下作业流程，提高油气开采效率。

此外，液固两相流还广泛应用于核工程、材料加工、粉体工程等领域。

针对液固两相流的应用分析，可采取不同的方法进行研究。

常用的分析方法包括实验研究、数值模拟和理论推导。

实验研究是通过构建实验平台，对液固两相流进行实时观测和测量，获取相关数据并进行分析。

数值模拟则是通过建立数学模型，运用计算机技术进行仿真计算，模拟液固两相流的运动行为和规律。

理论推导是通过分析流体的基本性质和物理原理，推导出液固两相流的相关公式和理论模型。

实际应用中，液固两相流的分析常常涉及到颗粒分散、沉降、输运等方面的问题。

例如，在化工工艺中，颗粒的分散和输送是液固两相流的关键问题之一。

研究人员可以通过粒子跟踪技术和流体力学方程相结合的方法，对颗粒的运动和输送进行分析和预测。

此外，颗粒的沉降也是液固两相流的重要研究内容之一。

在环境工程中，对颗粒的沉降行为进行分析，有助于优化废水处理工艺，降低颗粒物的排放浓度，保护环境。

综上所述，液固两相流在工程流体力学中具有广泛的应用。

二次流现象及其应用摘要：在流体工程中，普遍存在二次流现象，了解及分析二次流现象，有利于发挥二次流的益处,减少二次流的害处，简述实际工程中二次流的应用。

关键词：二次流、离心力、应用1、二次流现象常见二次流一般是流体在弯管中流动时，由于存在离心惯性力，管壁对流体的粘滞作用使两侧管壁处流体速度低于管子中心处的速度，所以中心处流体的离心惯性力大于管壁两侧处流体，因此流体在中心处有内侧向外侧流动，致使外侧处压强增大,形成压差，产生一对涡流,产生二次流.弯管中二次流的形成必须具备如下条件：流场必须有离心力场的存在；流场必须有剪切应力梯度的存在.［1]不仅在弯管中会存在二次流，在各种传热设备中,存在大量的非圆形管道。

非圆形截面直通道内存在二次流现象,称为第二类普朗特二次流,以区别于弯管内的二次流。

2、二次流应用二次流现象比较普遍，二次流的存在对物质迁移、能量转化会产生有利的或有害的影响。

我们研究二次流理论,就是要扬长避短，充分发挥二次流对物质迁移、能量转化方面的优点，克服或减小二次流对物质迁移、能量转化的不足.2.1二次流理论在热能工程中的应用二次流理论最早和最成功应用领域是热能工程，典型的结构是高效强化传热元件—螺纹烟管,螺纹烟管是一种有效的强化传热元件,在锅壳式燃油燃气锅炉上作为对流受热面受到广泛的应用，比较常用的有单头螺纹烟管。

单头螺纹管是采用碾压的方法制造出来的，碾压的结果使管外形成螺旋式凹槽，管内形成螺旋式凸起，由于螺旋式凹槽或螺旋式凸起的存在,流体沿着凹凸不平的边界层流动时，将会产生成对的旋转方向相反的二次流旋涡，即Gortler涡。

二次流的作用使管内外表面的换热系数得到很大程度的提高,其放热系数要比光管提高2倍。

2.2二次流在正方形直截面管道的应用[1］以空气-水为介质,通过可视化实验的方法，对边长为10 mm的正方形截面通道内空气-水垂直上升流动的两相流流型进行了实验研究,表观气速为0.04～100 m/s,表观水速为0。

固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究近年来，固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究一直是实验室及业界的热门研究课题。

固液两相流与颗粒流的概念是指将液体和固体颗粒混合而形成的流体。

其形成的路径以及其影响固液两相流与颗粒流的性能具有重要影响。

因此，提高固液两相流与颗粒流的性能是通过研究和改进其运动理论和实验方法来实现的。

首先，对于固液两相流与颗粒流的运动理论，主要是研究固液两相流与颗粒流中液体和固体颗粒的耦合和相互作用。

在液体的流动和颗粒的运动过程中，液体的流速会改变，而颗粒的运动则会受到支配。

这种耦合作用和相互作用会影响固液两相流与颗粒流的物理特性。

具体来说，对于粘弹性流体而言，液体流动会带来固体颗粒的聚集和堆积；对于粘性流体而言，液体流动会带来固体颗粒的迁移和均匀分布。

因此，运动理论研究能够使液体流动和颗粒运动得到有效地耦合，有效地改善固液两相流与颗粒流的性能。

其次，对于固液两相流与颗粒流的实验研究，主要是研究固液两相流与颗粒流的流动特性，以及液体流动和颗粒运动之间的耦合和相互作用。

实验研究一般可以采用物理实验室中的模拟装置，通过实验数据和理论分析，检测和研究固液两相流与颗粒流的流动特性。

例如，在双腔实验装置中，可以采用两只液体提供不同流量的液体，用于模拟液体流动和颗粒运动耦合的效果，从而研究固液两相流与颗粒流的流动特性。

最后，固液两相流与颗粒流也可以用来研究多种应用领域中的问题。

例如，可以利用它来研究催化剂加热乳化剂的效果，以及生物物质的移动特性，有助于提高液体的加热效率，提高生物分离的效率。

此外，固液两相流与颗粒流也可以用来研究能源传输、废水处理以及生物材料等方面的问题，以改善多种工业应用场景中的性能。

综上所述，固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究是固液两相流与颗粒流性能改善的关键所在。

因此，运用实验室及业界技术研究实验装置，探究固液两相流与颗粒流的性能，研究其运动理论和实验方法，一直是实验室及业界的研究方向。