多相流的研究方法和理论模型

理论上来讲，流体力学的基本方程是可以用于多相流的。但是，在多相流中，一般应对各相列出各自的守恒方程，而且还要考虑两相间的相互作用，因此，描述多相流的方程组要比描述单相流的复杂得多。对多相流的分析和研究要比单相流复杂和困难得多。目前，分析多相流的方法大多是单相流中已被充分使用过的那些方法的延伸。

研究多相流动的方法大致有以下几种：

（1）经验关系式法

根据实验数据建立经验关系式是工程设计中常用的方法。这种方法就是将工业性试验结果、半工业性试验结果或实验室的实验结果整理成经验关系式或图表。这种方法的优点是计算往往比较简便、快捷，也可能相当精确。缺点是局限较大，只能用于规定的范围，不能外推，只有在设计对象与获得关系式的条件相同时，才会获得良好结果。

（2）分析方法

分析方法试图从基本原理出发推导多相流控制方程，主要步骤是：对每相和界面条件建立局部瞬时方程；用平均方法得到瞬时空间平均方程、局部时间平均方程和时间空间平均方程；把平均方程简化到要求的程度（如含有相间相互作用项的多相流体方程），以此来求解实际问题。其分析方法较严密，所得关系式更有普遍性。借助于现代计算技术，无疑是一个行之有效的方法。但对所得的平均方程如不作某些简化，没有谁能轻而易举地将其加以运用。并且上述这组平均方程还不是封闭的，要想对其求解（例如，预测相含量和压力变化等参数），还需要知道一些相关关系（如壁面及界面的剪切力和质量、能量的传递项等）才能实现。显然，只有当这些相关关系有一定的物理基础或有更大的普遍性时，分析方法才能给出比经验方法更好的结果。

（3）唯象方法

唯象方法试图从物理上透彻地了解存在的现象，并据此建立模型。其主要步骤是：按相界面分布方式确定流型；详细地观察现象，并运用相应的测量手段建立理论或半理论的物理模型来描述局部现象；综合局部模型，得到对整体系统的描述；运用整体模型进行预测、设计。这种方法的主要优点是能在物理上深刻地了解现象，描述的真实性得到了改善，为把所建立模型外延到不同系统开辟了较好的途径。但模型的正确选择取决于对物理本质的深刻认识，而这种认识却难以用规格化的方式表达，在常规设计中，也往往显得过分地依赖于实验数据。唯象方法的实质是一种半经验、半理论的方法。

（4）数值模拟方法

经验方法、分析方法和唯象方法是研究多相流的基本方法。随着近代计算流体力学和大型数字计算机技术的发展，基于数值模拟理论及方法建立的各种复杂条件下的基本守恒非线性偏微分方程组，并加以封闭后，不加简化地直接用数值方法求解，才使多相流问题的严格求解得以实现。

研究两相或多相流有两种不同的观点：一种是只把流体作为连续介质，而把颗粒（这里的颗粒泛指气泡、固体粒子等，后同）群作为离散体系，探讨颗粒动力学、颗粒轨道等；另一种是除将流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体，假设其在空间中有连续的速度和温度分布及等价的输运性质（黏性、扩散、导热等）。总结已有的研究成果，目前在多相流中应用的理论模型主要有：单流体模型、双流体模型和分散颗粒群轨迹模型等。

近年来，由于引入了大型计算机数值模拟及激光量测的研究方法，使人们对实际装置内两相或多相流规律有了更确切、更深入的认识。