閆文標(biāo)

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

多相流是新成長起來的一門新興課程，其是基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)、Fluid assurance等科目的底子上的，在能源生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)上，具有非凡的意義。它廣泛存在于石油工業(yè)、航天技術(shù)、能源動(dòng)力、環(huán)境等許多工業(yè)部門。多相流技術(shù)開始于1970年代，當(dāng)初的目的是用于海上大型氣田和凝析氣田的發(fā)展。但工業(yè)界對(duì)多相流的研究尚不成熟，對(duì)油井采出物，平臺(tái)結(jié)構(gòu)及工人施工的設(shè)計(jì)都不十分了解。由于原子能研發(fā)及載人航天技術(shù)的快速發(fā)展，動(dòng)力及石油工業(yè)的引人，極大的發(fā)展了多相流的研究及其應(yīng)用。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技能和數(shù)值理論的飛速成長，對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的數(shù)值分析已達(dá)到滿足生產(chǎn)的要求。多相流數(shù)值模擬在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1 多相流動(dòng)模式

現(xiàn)在，在生活、生產(chǎn)中的大多數(shù)流動(dòng)幾乎都是多相流動(dòng)。氣、液和固體是多相流研究的物質(zhì)。一般多相流動(dòng)中，相被界說為一種對(duì)混合在一起的流體及勢(shì)場(chǎng)有一定的慣性反映及彼此作用的可分辯的物質(zhì)。通常把含兩相或者兩相以上物質(zhì)的流體稱為多相流。比如說，在開采天然氣時(shí)，采出的天然氣中存在一些砂，泥等物質(zhì)。這就是一個(gè)很復(fù)雜的流動(dòng)。在我們研究時(shí)，因?yàn)闅?、液有流?dòng)性，稱之為流體。當(dāng)砂等固體摻雜到流體，若流速達(dá)到一定條件，可以將三者視為一體。故，在一定條件下處理氣、液、固體的流動(dòng)問題。物質(zhì)混合流動(dòng)是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)厄待解決的問題。最普通的多相流為兩相流。兩相以上的流動(dòng)主要存在于石油產(chǎn)業(yè)中，如油、氣、水三相流，甚至油、氣、水、沙四相同時(shí)存在的流動(dòng)。

多相流以兩相流動(dòng)最為常見。主要有四種類型：氣—液兩相流體系（如抽吸），液—液兩相流體系（如浮選、洗刷），氣—固兩相流體系（如充滿粒子的流動(dòng)、流化床等）和液—固兩相流體系（如泥漿流、沉降運(yùn)動(dòng)）。

2 多相流模型

在FLUENT中，使用歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法對(duì)多相流進(jìn)行探究。歐拉-歐拉法觀察空間的點(diǎn)，記錄空間每個(gè)點(diǎn)上的物理量變化。歐拉-拉格朗日法觀察流體質(zhì)點(diǎn)，記錄每一質(zhì)點(diǎn)的每一位置和每一時(shí)間點(diǎn)的每個(gè)物理量變化。在多相流模型中，歐拉-歐拉方法用來研究連續(xù)介質(zhì)，屬于歐拉-歐拉型模型。

Fluent提供了三種歐拉-歐拉型多相流模型：VOF （Volume of Fluid） 模型、混合 （mixture）模型和Euler模型。

2.1 VOF模型（Volume of Fluid Model）

VOF模型一種應(yīng)用于固定的Euler網(wǎng)格上的界面追蹤技術(shù)。一般可以利用該模型得到互不相容流體間的交界面。該模型中，一套動(dòng)量方程用于每一相流體，在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)追蹤每一相所占有的體積率。VOF模型可以求得任意液-氣分界面的穩(wěn)態(tài)或者瞬態(tài)分界面。特別對(duì)空氣和水的混合流動(dòng)時(shí)，最好的方法就是利用VOF模型來研究。如在分離液相和氣相的移動(dòng)界面的不可壓縮流流體中，運(yùn)用VOF模型來實(shí)現(xiàn)體積/質(zhì)量守恒和界面捕獲。在對(duì)流計(jì)算中，VOF解決體積分?jǐn)?shù)的構(gòu)件[2]。在應(yīng)用中，若每個(gè)控制體中第一相的體積含量為β。如果β=0，則控制體不含第一相；β=1，則含第一相；0＜β＜1，則證明控制體有兩相交界面。另外，VOF模型采用體積分?jǐn)?shù)函數(shù)表示自由面的位置和流體所占的體積，這在計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)存占據(jù)小，方便快速計(jì)算。

2.2 混合模型（Mixture Model）

混合模型是一種簡化的兩（多） 相流模型，它的相可以是流體或顆粒，并被互相穿插的連續(xù)統(tǒng)一體。也用于相間速度有差異的兩（多）相流進(jìn)行數(shù)值模擬，但是在短空間計(jì)算時(shí)，必須假設(shè)一部分相與相間耦合很強(qiáng)。同時(shí)也用于模擬有很強(qiáng)烈耦合的各向同性相流和各相以相度運(yùn)動(dòng)的兩（多） 相流。在VOF和Mixture多相流模型在空泡流模擬中的應(yīng)用，文中，采納了簡化了的混合模型，運(yùn)用單一流體-空泡流體，來模擬忽略重力和考慮重力各相不同速度的多相流[3]。另外，混合模型也很適用于含氣泡的流體。在基于不同多相流模型的氣浮接觸區(qū)流動(dòng)的模擬研究中，Mixture多相流模型對(duì)典型的氣浮接觸區(qū)流動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究，研究氣泡在混合區(qū)中的均勻度、接觸和濃度變化[4]?；旌夏Ｐ鸵苍谛L(fēng)分離器中應(yīng)用廣泛，這對(duì)除砂器的設(shè)計(jì)，有重要幫助。通常，在設(shè)計(jì)除砂器時(shí)，都是假設(shè)氣、砂兩相混合流，此時(shí)用混合模型研究，是最優(yōu)選擇。因?yàn)樵诙嘞嗔鬟M(jìn)入旋流分離器時(shí)，是速度有差別。

2.3 歐拉模型（Eulerian Model）

Euler模型是兩（多） 相流中非常繁雜的兩（多）相流模型，叫做流體模型。在模擬中，液、氣和固體可以隨意組合，也能互相作用，其中連續(xù)相與分散相被視為連續(xù)的一體。 就是運(yùn)用了這一點(diǎn)。另外，Euler模型對(duì)每相使用Euler方法進(jìn)行描述，然后列出動(dòng)量方程和連續(xù)性方程，進(jìn)行壓力和相間互換系數(shù)的耦合來進(jìn)行計(jì)算。HF Meier；M.Mori在氣旋中的氣固流：歐拉-歐拉方法研究中，分別對(duì)清潔空氣流，稀釋后的空氣流和玻璃球顆粒采用歐拉模型，進(jìn)行壓降測(cè)試，模擬常規(guī)旋風(fēng)分離器中的稀釋氣固流[5]。歐拉模型通常應(yīng)用于流化床和懸浮顆粒等。

3 應(yīng)用選擇基本原則

通常，你一旦知道了采納那種模型最符合現(xiàn)實(shí)的流體，那么就可以根據(jù)以下的原則來選取最好的模型。

3.1 VOF模型（Volume of Fluid Model）

用于流動(dòng)清晰的相界面。適用的流型有活塞流、分層流型，還有自由流動(dòng)表面。最優(yōu)模型就是空氣和水的流動(dòng)模型。

3.2 混合模型（Mixture Model）

一種簡化的、各相以不同速度流動(dòng)的多相流模型。在模型中，各相允許相互穿插。另外，還可以模擬各相以同一速度流動(dòng)、耦合強(qiáng)的均勻多相流?；旌夏Ｐ蜎]有歐拉模型精確度高，當(dāng)相間曳力不容易測(cè)量時(shí)，混合模型是最好的選擇。當(dāng)分散相分布不集中如除砂器除砂時(shí)，分布很散，采用混合模型研究方便，快速。對(duì)于泥漿流和水力輸送，采納混合物模型

3.3 歐拉模型（Eulerian Model）

對(duì)于粒子流、流化床、沉降等可以采取歐拉模型。另外，如果分散相主要集中在一小塊區(qū)域中時(shí)，采用歐拉模型比較好，因?yàn)榕c混合模型相比較，歐拉模型計(jì)算精度高，那么計(jì)算區(qū)域集中的部分，用歐拉模型，精確分析，結(jié)果更準(zhǔn)確。對(duì)相間曳力規(guī)律明顯的流體流動(dòng)，采納歐拉模型，是最好的選擇。

處理多相流時(shí)，根據(jù)研究或者事故最重要的流動(dòng)特征，選擇最合適的模型，進(jìn)行處理分析，建模，數(shù)值模擬。每種模型有優(yōu)點(diǎn)，但又有一定的缺陷，如，歐拉模型計(jì)算精確度比混合模型高，但是計(jì)算過程復(fù)雜，在一些復(fù)雜運(yùn)算中，穩(wěn)定性也沒有混合模型穩(wěn)定。主要是因?yàn)榻獾氖諗啃允艿搅讼拗啤?/p>

4 結(jié)語

選擇合適的多相流模型，然后利用多相流數(shù)值模擬的快捷，節(jié)約人力，結(jié)果便于分析等特點(diǎn)，對(duì)于多相流能更快速的分析與預(yù)測(cè)。這對(duì)石油工業(yè)、能源等領(lǐng)域非常重要。