环状流射流与横流掺混在民用及国防等领域具有重要应用前景。本项目采用机理实验、理论分析与数值模拟相结合的方法对横向剪切气流中气液两相环状流射流液膜的破苏与雾化过程开展了系统研究。首先针对环形管及复杂通道内气液两相环状流区影响液膜流动的液滴沉积与夹带过程建立了数理模型。其次对无横流条件下自由环状流射流液膜的破碎雾化特性开展了研究，发现了在中心气流作用下环状流射流液膜的破碎具有周期性和不稳定性；获得了射流液膜周期性破碎系统规律；查清了射流液膜存在爆式破碎、分段花瓣式破碎与环膜袋式破碎三种破碎形态并阐明了其破碎机制；给出了三种破碎形态无量纲判定准则和射流液膜的临界破碎高度计算关联式；采用数值模拟揭示了自由环状流射流液膜分段式破碎机理。在此基础上，对横向剪切气流作用下环状流射流液膜的破碎与雾化过程开展了研究，查清了横流作用下环状流射流液膜的宏观破碎特性和微观破碎机制并获得了参数影响系统规律；给出了横流影响下环状流射流贯穿轨迹关联式；提出了横流影响下环状流射流液膜破碎形态判定准则及破碎高度计算关联式；采用光学信息提取的方法对环状流射流雾化液滴粒径进行了分析，获得了不同工况下雾化液滴粒径分布及其影响规律。本项目拓宽了液体射流掺混研究领域，为相关行业实现气液两相环状流射流与横流的高效掺混组织提供了理论基础，具有重要的理论意义和应用价值。 2100433B

射流掺混在民用及国防等领域具有重大应用需求。气动剪切作用可增强射流液体的不稳定，促进液体的破碎与雾化。基于这一原理，本项目提出了采用气液两相环状流射流与横向气流掺混这一创新思路。环状流射流不同于传统的射流方式，横向气流环境中，受内侧剪切气流与外侧横向气流共同作用，液膜更容易发生破碎与雾化，从而实现与横向气流的高效掺混。横向剪切气流中环状流射流液膜的破碎与雾化呈现高度非定常特性与复杂的相界面结构。通过机理实验和理论分析相结合，获得横向剪切气流中环状流射流液膜的变形、破碎与雾化基本规律，查清液膜破碎机制和临界破碎动力学条件、流场中涡结构及其对液膜破碎与雾化的影响机制，揭示横向剪切气流中环状流射流液膜的破碎与雾化机理，掌握环状流射流与横向剪切气流相互作用的系统规律。本项目拓宽了射流掺混研究领域，为相关行业应用环状流射流与横向气流高效掺混组织提供了理论支撑，具有重要的学术价值和应用前景。

曝气池中气液两相流与氧传质效率密切相关，是污废水处理效率得以提高的关键因素。掌握曝气池中气液两相流的理论，并将其应用于工程实践中，是21世纪污废水处理工艺提标改造的重要环节。本书融合流体力学和环境工程学等多门学科的知识，系统阐述曝气池中气液两相流的基本理论、运动特性与基本研究方法。全书主要内容包括：曝气池中气液两相流，气液两相流理论基础，气液两相流流场测量方法，曝气池中气液两相流数学模型理论，曝气池中气泡羽流的运动特性，曝气池中气液两相流数值模拟以及基于气液两相流的曝气池体型优化等。

总序一

总序二

总序三

前言

第1章 曝气池中气液两相流 1

1.1 引言 1

1.2 曝气池 4

1.2.1 曝气池定义 4

1.2.2 曝气池中的曝气方式 5

1.2.3 曝气池分类 6

1.3 曝气池运行原理 12

1.3.1 曝气理论 12

1.3.2 氧转移的影响因素 17

1.4 曝气池中气液两相流研究进展 19

1.4.1 气液两相流简介 19

1.4.2 曝气池中气液两相流的研究现状 22

1.4.3 曝气池中气液两相流研究的发展趋势 27

参考文献 28

第2章 气液两相流理论基础 31

2.1 气液两相流基本理论 31

2.1.1 局部瞬时方程组 31

2.1.2 瞬时空间平均方程 36

2.1.3 局部时均方程 38

2.1.4 复合平均方程 40

2.2 气液两相流流型与流型图 41

2.2.1 气液两相基本流型 42

2.2.2 两相流型图 48

2.2.3 流型之间的过渡 52

2.3 两相流动的参数 55

2.3.1 空间与时间平均运算 55

2.3.2 含气率与含液率 57

2.3.3 两相运动速度 60

2.3.4 两相介质密度 61

2.3.5 其他两相流参数 62

参考文献 64

第3章 气液两相流流场测量方法 65

3.1 激光多普勒技术 65

3.1.1 激光多普勒测速的原理 66

3.1.2 激光多普勒测速技术的应用 70

3.2 核磁共振测量技术 70

3.2.1 核磁共振测量原理 70

3.2.2 核磁共振测量技术应用 78

3.3 过程层析成像技术 78

3.3.1 过程层析成像原理 78

3.3.2 过程层析成像技术应用 80

3.4 粒子图像测速技术 82

3.4.1 粒子图像测速技术测定原理 83

3.4.2 图像处理基本算法 84

3.4.3 粒子图像测速技术的应用 88

3.5 粒子追踪测速技术 89

3.5.1 粒子追踪测速技术测定原理 90

3.5.2 粒子追踪测速技术算法 91

3.5.3 粒子追踪测速技术的应用 92

参考文献 93

第4章 曝气池中气液两相流数学模型理论 96

4.1 双流体模型 97

4.1.1 双流体模型概述 98

4.1.2 湍流模型 100

4.1.3 相间作用力模型 106

4.1.4 双流体模型数值模拟与验证 108

4.2 CFD-PBM 耦合模型 112

4.2.1 群体平衡模型 112

4.2.2 气泡聚并模型 115

4.2.3 气泡破碎模型 120

4.2.4 CFD-PBM 耦合模型的构建与验证 125

4.3 CFD 与气泡群平衡耦合模型 128

4.3.1 气泡群平衡模型构建 128

4.3.2 CFD 与气泡群平衡模型求解 130

4.3.3 CFD 与气泡群平衡耦合模型验证 131

参考文献 134

第5章 曝气池中气泡羽流的运动特性 137

5.1 气泡羽流的概述 137

5.2 气泡羽流的获取方法 139

5.2.1 基于PIV 技术的气泡羽流测定 139

5.2.2 空隙率计算 141

5.3 气泡羽流二维空隙率的分布特性 143

5.3.1 压强对空隙率分布的影响 143

5.3.2 纵横比对空隙率分布的影响 144

5.3.3 初始空隙率对空隙率分布的影响 145

5.4 气泡羽流的摆动机理 146

5.4.1 气泡羽流的时间连续分布 146

5.4.2 气泡羽流的摆动与波动频谱 149

5.5 曝气池中气泡羽流运动规律 159

5.5.1 纵横比对气泡羽流运动的影响 159

5.5.2 压强对气泡羽流运动的影响 163

5.5.3 空隙率对气泡羽流运动的影响 167

参考文献 171

第6章 曝气池中气液两相流数值模拟 172

6.1 CFD 模型理论基础 172

6.1.1 基本理论方程 173

6.1.2 多相流模型 175

6.1.3 网格划分与边界条件 184

6.2 方形曝气池中气液两相流数值模拟 186

6.2.1 纵横比对两相速度场分布的影响 187

6.2.2 曝气量对两相速度场分布的影响 188

6.2.3 曝气孔径对两相速度场分布的影响 189

6.3 圆形曝气池中气液两相流数值模拟 190

6.3.1 高径比对两相速度场分布的影响 191

6.3.2 曝气量对两相速度场分布的影响 192

6.3.3 曝气孔间距对两相速度场分布的影响 194

参考文献 195

第7章 基于气液两相流的曝气池体型优化 196

7.1 曝气池体型优化——以曝气反应器为例 197

7.1.1 曝气池主体结构形式的优化 198

7.1.2 曝气池曝气方式的优化 200

7.1.3 曝气方式对污水处理效果的优化 205

7.2 曝气池体型优化——以氧化沟为例 207

7.2.1 氧化沟的运行现状 207

7.2.2 氧化沟内水力流动状况 209

7.2.3 导流墙设置方式对水流流动特性的影响 210

7.2.4 氧化沟设计断面优化 212

参考文献 215

彩图 2100433B

本项目针对荷电喷雾射流中独特的液滴二次雾化现象，通过实验测量、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了电场及气流耦合作用下荷电液滴变形及破碎的电流体动力学特性及大流量静电喷雾射流中复杂荷电多相流动的喷雾特性，揭示了荷电喷雾射流中液滴二次雾化的机理。以单液滴为研究对象，借助显微高速数码摄像技术精确捕捉了荷电单液滴的变形破碎过程及其显微形貌特征，获得了影响脉动变形及瑞利不稳定破碎的关键控制因素，为揭示荷电雾化机理提供了实验依据。针对传统测量方法的局限性和子液滴荷电量难以精确测量的问题，设计了一种运动单液滴微小荷电量测量装置并在此基础上研究了荷电量对气动力作用下荷电液滴破碎的影响规律，建立了荷电液滴二次雾化的破碎模型。采用CLSVOF方法，建立了导电介质荷电液滴变形的数学模型，模拟了单液滴生成过程及静电场下锥射流的形成，验证了其模拟荷电两相流问题的有效性。建立了荷电黏性液体射流色散方程，数值分析了射流速度、荷电电压及黏度对荷电液体射流不稳定性的影响。设计了阵列式多通道集成静电喷雾(MES)系统，利用PIV对电场及气流耦合作用下的大流量荷电喷雾特性和流场特性进行测量与分析，提出了静电雾化特性的合理优化方案及有效控制参数，为发展新型荷电雾化技术提供理论基础。