第25卷　第4期

2008年12月应用力学学报CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSVol.25　No.4Dec.2008文章编号:100024939(2008)0420578205

基于LevelSet方法的气2液2

　)1　(西安交通大学　710049　西安)23

摘要:Set方法与离散颗粒模型相结合的方法,建立了一个用于描述气液固三相流动的新模型。模型耦合了颗粒与气泡、颗粒与液相以及气泡与液相之间的相互作用。应用该模型对液固悬浮液中的典型现象———气泡的单孔及多孔形成过程以及颗粒夹带现象进行了三维模拟,检验了其可行性。并进一步研究了颗粒的存在对气泡的形成与上升过程的影响以及气泡诱导的液相流动对颗粒行为的影响。研究结果表明,所提出的模型能够真实地预测三相流中气泡与颗粒分散相的特征,为研究多尺度的三相流动提供了一种新途径。

关键词:气液固三相流;LevelSet方法;离散颗粒模型;数值模拟

中图分类号:O35911　　　文献标识码:　A

意义。直至最近,随着计算机技术的发展,一些研究

者开始尝试利用界面追踪技术对三相流中气泡的行　引　言为进行直接模拟,比如Li等人[5]利用CFD2VOF2

DPM模型对二维气2液2固三相流化床内气泡尾涡1气2液2固三相流动过程广泛存在于石油、化工、

冶金、能源及环境等工程实际中,比如石油开采中的

油2气2砂流动,化工反应装置中的气液固流态化和

能源工程中的高钙煤灰颗粒的增湿脱硫过程。三相

流的流体动力学特性是由每一相的运动以及各相之

间的相互作用共同决定的。因此,三相流动问题远

比单相或两相流动复杂,对其的模化及模拟已成为

流体力学领域极具挑战性的问题之一。

目前国内外研究者对气2液2固三相流的模拟主

要采用欧拉2欧拉(Eulerian2Eulerian)方法[122]和欧

拉2拉格朗日(Eulerian2Lagrangian)方法[324]两种。

然而,这两种模型只能描述三相流动的宏观特性(诸

如时间平均的流型及气含率的空间分布等),不能反

映诸如气泡的变形与运动这样的微观流动状态。而

在气泡及颗粒为分散相的三相流动系统中,气泡和

固体粒子的行为对深入理解气泡、颗粒与流体的相

互作用,进而对理解整个三相流动现象都具有重要的运动进行了数值模拟。Annaland等人[6]采用Fronttracking方法结合离散颗粒模型模拟了气2液2固三相流中气泡的上升行为。由于VOF(Vol2umeofFluid)方法和Fronttracking方法在气液交界面重构上的复杂性,限制了其在三维体系下的应用。相比较而言,LevelSet方法在模拟三维相界面发生拓扑结构变化的过程具有简单方便的优势。因此,本文以LevelSet方法为基础,结合离散颗粒模型,建立一个新的三相流模型,并对液固悬浮液中气泡形成和上升过程进行数值模拟,分析其气泡与颗粒行为,揭示分散相运动的细节。2　三相流模型211　气液相界面运动的LevelSet方法LevelSet方法是由Osher和Fedkiw[7]提出的3基金项目:国家自然科学基金(20706007);教育部科学技术研究重点项目(108116)　来稿日期:2007201216　修回日期:2007207216第一作者简介:李彦鹏,男,1973年生,长安大学环境科学与工程学院,副教授;研究方向———多相流。E2mail:liyanp01@chd.edu.cn