两相流动与热物理

课程编码：080701M05002H 英文名称：Two-Phase Flow and Thermophysics 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业普及课 主讲教师：刘捷

本课程为动力工程及工程热物理学科研究生的专业普及课，可作为工程力学、流体力学与化学工程等专业研究生的专业基础课，也可作为其他工科类专业研究生的专业基础课或选修课。本课程主要内容为两相流动与热物理的基本概念、现象与规律；课程注意讲授离散相颗粒（气泡、液滴或固体颗粒）的存在对连续相流动中一些基本流动物理现象（激波、声波、湍流等）的影响，讲授两相流动对传热等热物理过程的影响，讲授沸腾、凝结两相流相变传热的基本概念与规律。同时注重讲授气液不规则相界面的数值模拟方法和气固两相流湍流的数值模拟方法。通过本课程的学习，希望学生掌握两相流动与热物理的基本知识，对两相流动与热物理的发展有所了解，为今后从事相关学科的科研工作打下扎实的理论基础。

流体力学、传热学和热力学（工程热物理、低温工程、流体力学与化学工程相关专业教材）

[1] 卢文强，两相流动与热物理，中国科学院大学讲义。

第一章 导论（共3学时）
两相流的重要性及其发展简史；两相流的定义和特征，两相流与非牛顿流，两相流与渗流；两相流分类，流型（a.流动过程形成的流型，b.热过程形成的流型）；研究方法与理论模型；实验测量技术概述。
第二章 气液两相流动与热物理（共24学时）
第一节 气泡的形成与气泡动力学，泰勒泡自由面问题及其边界元分析（教学重点及难点）（5学时）
第二节 气相和液相局部均匀混合的两相流动（如雾状流型）（教学重点）（5学时）
状态描述：相密度、分密度，体积分数，质量分数，压力、分压，温度，速度；基本方程：状态方程，连续性方程，动量方程，能量方程；雾状流的简化模型。
第三节 气液两相流中的声波 （3学时）
第四节 气液两相流中的激波 （3学时）
第五节 凝结，带凝结的气液两相流动 （2学时）
凝结核的临界半径，经典的液滴核化理论与成核率；固体表面的珠状凝结；流动凝结、流动激波与凝结激波，带凝结激波的气液两相流理论计算及其与实验结果比较；竖直平板层流膜状凝结传热；竖直平板湍流膜状凝结传热；膜状凝结Nusselt分析结果的延伸应用。
第六节 气蚀 （1学时）
气蚀现象，气蚀的危害及其工程应用，气蚀产生与发展过程的物理机理及规律。
第七节 沸腾（教学重点）（2学时）
沸腾的热力学基础；汽泡的生成与沸腾：临界半径与过热度，临界功，固体表面湿润性和粗糙度影响，气泡长大与脱离；池沸腾：池沸腾曲线，池沸腾类型，池沸腾经验关联式；强迫对流沸腾：强迫对流沸腾流型与强迫对流沸腾类型，核态沸腾传热，第一类传热恶化与临界热负荷。
第八节 不规则界面非均匀混合的气液两相流动
Leibniz公式；当地瞬态的两相流方程积分形式、微分形式、相界面间断条件；瞬态的空间平均两相流方程；当地的时间平均两相流方程；垂直上升泡状流的工程简化模型——简化的两相一元流动模型，变密度流动模型，漂移流动模型。
第九节 气液不规则界面数值模拟方法 （3学时）
Tracking（追踪）方法：Front tracking（前沿追踪）方法，Moving-mesh（运动网格）方法，Marker Particle (Particle-based)（颗粒标记）方法。Capturing（捕获）方法Boundary element（BE）或Boundary integral (BI)（边界元或边界积分）方法，VOF（Volume of Fluid，流体体积）方法，Level set（层面设置）方法、Ghost fluid（幻影流体）方法和Lattice-Boltzmann（格子波尔兹曼）方法。无网格方法和颗粒方法：耗散颗粒动力学（Dissipative Particle Dynamics(DPD)）方法，光滑颗粒流体力学（Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)）方法。
第三章 气固、液固两相流动与热物理（共12学时）
第一节 两相流中固体颗粒的受力分析与传热特性（教学重点）（4学时）
阻力，附加质量力，Basset力，Magnus力，Saffman升力，压力梯度力，升力，热致迁移力（热泳力），重力与浮力；单颗粒在典型炉气流中的运动及各种作用力的定量分析；两相流中固体颗粒与流体间的热交换：单一球形颗粒与流体热交换，颗粒群与流体间的热交换。
第二节 气固两相流平衡热力学与声速 （2学时）
混合物内能、焓、熵及其与两相参数间的关系；Maxwell关系，定压比热、定容比热，比热比；等熵关系与平衡声速, 冻结声速。
第三节 流体-固体两相流模型及其基本方程 （1学时）
固体微粒拟流体模型及其基本方程；固体颗粒群模型及其基本方程；气固两相流运动论模型及其基本方程。
第四节 气固两相流激波（1学时）
激波松弛（煤粉气流通过强激波后的燃烧过程）；弥散的含灰气体激波。
第五节 流体-固体颗粒混合物粘度与热导率 （教学难点）（2学时）
流体-固体颗粒混合物粘度；液固两相悬浮体的导热系数，相关的理论研究，关于Maxell热导率极限问题。
第六节 气固两相流湍流 （2学时）
颗粒与流体湍流间的相互作用；颗粒对流体湍流拟序结构的影响。
第七节 气固两相流工程数值模型
微粒拟流体湍流模式理论；无滑移连续介质模型；小滑移连续介质模型；滑移－扩散连续介质模型；分散相的颗粒群轨道模型及PSIC算法；PSIC算法修正及随机轨道模型；大涡模拟；离散涡模拟；直接数值模拟；概率密度模型及算法；格子波尔兹曼模型及算法。

教学手段与方法：课堂讲授为主。
考核方式：课堂开卷。

[1] 郭烈锦，两相与多相流体动力学，西安交通大学出版社，西安，2002。
[2] 陈学俊，陈立勋，周芳德，气液两相流与传热基础，科学出版社，北京，1995。
[3] 岑可法，樊建人，工程气固多相流动的理论及计算，浙江大学出版社，杭州，1990。
[4] C.T. Crowe, J.D. Schwarzkopf, M. Sommerfeld, Y. Tsuji, Multiphase Flows with Droplets and Particles (2nd Edition), CRC Press, 2011.
[5] C.E. Brennen, Cavitation and Bubble Dynamics, Oxford University Press, 1995.
[6] T.L. Bergman, A.S. Lavine, Fundamental of Heat and Mass Transfer (8th Edition), John Wiley & Sons, 2017.
[7] A. Bejan, Advanced Engineering Thermodynamics (4th Edition), John Wiley & Sons, 2016.

刘捷，中国科学院大学工程科学院学院副教授，工程热物理专业，硕士生导师，主要研究方向为两相流动、传热传质。联系方式：nauty@ucas.ac.cn。